CN107612025B - 微网中电流控制型逆变器改进控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微网中电流控制型逆变器改进控制方法，属于孤岛微网中逆变器协调控制研究领域。该方法提出了一种电流控制型逆变器的输出功率指令控制策略，通过检测并联逆变器***公共连接点处的频率和电压幅值变化量，实时调整逆变器的输出有功功率和无功功率的大小，以实现稳态下有功功率在逆变器之间按比例均分，电流源补偿无功功率输出，辅助调节负载端的电压。本发明方法可靠性高，可行性强，提高了孤岛并联逆变器***的运行性能，为工程应用提供了很好的参考价值。

Description

微网中电流控制型逆变器改进控制方法

技术领域

本发明属于孤岛微网中逆变器协调控制研究领域，具体涉及微网中电流控制型逆变器改进控制方法。

背景技术

随着能源危机的加剧以及传统能源的使用对环境的负担日益加重，可再生能源的引入成为了缓解能源危机、改善环境质量的重要手段。由于可再生能源具有分布性和功率随机性，所以人们提出微网的概念来整合及控制可再生能源的转换、使用和传输。微网中并联的分布式发电单元往往通过逆变器等电力电子接口与交流母线相连于公共连接点。一般来说，微网通过变电站连接到公共大电网，作为一个下游子***运行，称为并网工作模式。当公用电网处于故障、检修或地理位置非常偏远时，微网能够以孤岛模式运行，为本地***供电。孤岛状态下运行时，并联逆变电源之间的协调控制对微网电压频率的稳定以及功率合理分配至关重要。

分布式电源接口的逆变器可以给定其输出电压的频率和幅值参考值，控制成为独立的电压源；也可以通过获取公共母线上的电压和频率参考，给定其输出功率和电流参考值，控制成为电流源。为了实现负载功率在各台并联电源之间的自动均分和即插即用的特性，目前广泛使用的一种控制方法是基于有功功率—频率参考值(P-ω^*)和无功功率—电压幅值参考值(Q-V^*)下垂机制将并联***内的全部逆变器控制成对等的电压源。在不依赖通信的情况下，各个独立的电压控制型逆变器可以根据实际输出的有功和无功功率，按照下垂关系调整其输出电压的频率和幅值，实现自动的功率均分。

然而传统的下垂控制方法在实际应用中存在一系列的缺陷。首先，电压控制型逆变器的输出有功和无功功率的值由负载决定，始终在各台逆变器之间均分。例如具有最大功率点跟踪特性的光伏发电机，可再生能源发电中大量的逆变电源需要直接准确地控制其输出功率。为了充分利用一次侧能源的发电能力、提高效率，此类逆变电源需要以电流控制模式工作，不适合采用下垂控制方法。其次，下垂控制方法仅在配电线阻抗为纯感性时才工作良好，线路阻抗中的阻性成分将在逆变器输出有功和无功功率之间引入耦合，从而降低***动态性能和稳定性。此外，功率均分和电压调整率之间的固有的折衷问题也使得下垂控制方法性能不够理想，必须通过增加额外的二次控制，以补偿频率和电压的偏差。

发明内容

为了克服传统下垂控制方法存在的问题，本发明的目的在于提供一种微网中电流控制型逆变器的改进控制方法，从而弥补传统下垂控制的电压源的缺陷，提升并联***整体运行表现。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

微网中电流控制型逆变器的改进控制方法，包括以下步骤：

1)在两相同步旋转dq坐标系下，锁相环将逆变器交流侧公共连接点上的q轴电压幅值箝位为0，测量d轴电压幅值v_PCCd和频率ω_PCC，测量逆变器的dq轴输出电流i_od，i_oq。其中公共连接点上的频率和电压幅值值用来计算生成有功功率和无功功率的指令值，逆变器的输出电流作为控制器的反馈信号；

2)计算生成有功功率和无功功率的指令值P^*和Q^*：

P^*＝P₀-m_ω(ω_PCC-ω₀)

Q^*＝Q₀-n_v(v_PCCd-V₀)

其中，m_ω和n_v是公共连接点处频率和电压幅值的下垂斜率，m_ω,n_v>0。P₀和Q₀是在公共连接点的频率值等于电网额定频率ω₀，电压幅值等于电网额定电压V₀的情况下，逆变器输出功率参考值的初始设定。P^*和Q^*是根据公共连接点的实际频率值和电压幅值计算出的有功功率和无功功率指令值。

3)将步骤2)中计算出的有功功率和无功功率的指令值P^*和Q^*进行一阶低通滤波，滤波器截至频率为ω_crad/s。滤波后得到的功率指令值为和在稳态下，存在其中，下面公式中的s＝jω,是复频域变量。

4)计算dq坐标系下电流控制环的指令值和

5)将步骤4)计算出的dq轴电流指令值送入逆变器内部的电流控制器，经过闭环反馈控制逆变器输出电流控制器输出的信号作为调制电压生成PWM信号，控制开关管的通断。进而实现控制逆变器稳态时的实际输出功率P_o＝P^*,Q_o＝Q^*。

传统的电流控制型逆变器(电流源)控制方法中，逆变器的输出有功和无功功率指令值一般固定不变或根据逆变器一次侧新能源发电单元的最大功率点跟踪算法而随机变化。当负载功率变化时，传统控制方法下的电流源无法做出响应调整自身的输出功率输出满足负载需求。因此，***内并联的电压控制型逆变器(电压源)需要预留足够大的容量去承担全部负载变化。同时，由于电压源的输出功率增加而使得线路阻抗上的电压降落显著增大，与负载相连接的公共连接点上的电压幅值跌落严重，降低了为负载供电的质量。

为了令电流控制型逆变器能够补偿负载功率变化，辅助并联***内的电压控制型逆变器，共同调节公共连接点上的电压，本发明提出了步骤2)至4)中的调整电流控制型逆变器的有功和无功功率指令值的改进控制方法，详细解释如下：

在孤岛微网中，电压控制型逆变器的主要作用是建立、维持母线上的电压幅值和频率始终保持在额定范围内，也称为主电压源。一般采用有功功率—频率参考值(P-ω^*)和无功功率—电压幅值参考值(Q-V^*)下垂机制进行控制：

ω^*＝ω₀-m_pM(P_M-P_0M)

其中，P_M和Q_M是主电压源实际输出的有功和无功功率。P_0M和Q_0M是输出为额定频率ω₀和额定电压幅值V₀情况下，主电源输出功率的初始设定点。m_pM和n_qM是有功和无功功率对应的下垂斜率，m_pM,n_qM>0。ω^*和v_M ^*是实时计算出的频率和电压的输出指令值。

电流控制型逆变器需要依赖主电压源提供的电压和频率支撑，依照指令值输出一定的功率和电流，也称为从电流源。为了使从电流源能够与下垂控制的主电压源共同承担负载功率变化，辅助调节电压，本发明提出了一种反下垂机制，令从电流源根据测量到的公共连接点上的频率和电压幅值，调整自身有功和无功功率的参考值：

P^*＝P_0S-m_ωS(ω_PCC-ω₀)

Q^*＝Q_0S-n_vS(v_PCCd-V₀)

其中，ω_PCC和v_PCCd为两相同步旋转dq坐标系下，从电源通过锁相环测量的公共连接点上的频率和d轴电压幅值。m_ωS和n_vS是公共连接点处频率和电压幅值的反下垂斜率，m_ωS,n_vS>0。P_0S和Q_0S是在公共连接点的频率值等于电网额定频率ω₀，电压幅值等于电网额定电压V₀的情况下，从电流源输出功率参考值的初始设定。P^*和Q^*是实时计算出的从电流源有功功率和无功功率指令值。

由于ω_PCC和v_PCCd都为瞬时的控制量，其平均值上叠加的高频细小波动会在功率参考值上被放大，不利于***稳定运行。因此，最终的功率参考值由P^*和Q^*经过一阶低通滤波器得到，滤波器截至频率为ω_crad/s。滤波后得到的功率指令值为和在稳态下，存在其中，下面公式中的s＝jω,是复频域变量。

在dq坐标系下，逆变器输出到公共连接点的功率可以表示为：

由于公共连接点上的q轴电压v_PCCq被锁相环箝位为0，逆变器输出到公共连接点的有功和无功功率均只与d轴电压幅值v_PCCd有关。根据上式，计算送入电流控制器的指令值和

为了简化分析过程，假设并联***由一台下垂控制的主电压源和一台反下垂控制的从电流源组成。在初始状态t₀时刻，主电压源的输出有功功率为P_{M_0}＝P_0M，根据有功功率—频率参考值(P-ω^*)下垂公式，此时主电源输出电压的频率参考值为ω^*＝ω₀。稳态下，***内各处的频率保持一致。从电源经过锁相环获得公共连接点处的频率ω_PCC＝ω₀。根据频率—有功功率指令值(ω-P^*)的反下垂控制原理，此时从电源的输出有功功率为P_{S_0}＝P^*＝P_0S。当负载的有功功率增加，主电压源的输出有功功率首先随之增加，从而引起***频率的下降。当从电源检测到ω_PCC下降，根据反下垂关系，从电流源的有功功率指令值P^*会增加。随着从电源输出有功功率的增加，主电压源的输出有功功率增加和***频率的下降的趋势被抵消，形成负反馈，在t₁时刻***达到稳态。此时，***的频率为ω₁。主电源和从电源各自的输出有功功率P_{M_1}、P_{S_1}之间的关系可以表示为：

当主电压源有功功率对应的下垂斜率m_pM和从电流源频率对应的反下垂斜率m_ωS设计值满足以下关系：

可以推导出，在任何负载功率和频率情况下，主电源和从电源的输出有功功率的比例关系始终与额定频率下有功功率的设定点P_0M和P_0S保持一致。

因此，改进方法控制的电流源可以实现在不依赖通讯线的情况下，自动调整有功功率的输出，与电压源之间实现有功功率均分，避免了电压源独自承担负载功率变化而可能引发的过载问题。

类似的，当负载的无功功率增加时，主电压源的输出无功功率首先随之增加，从而引起公共连接点处电压幅值的下降。当从电源检测到v_PCCd下降，根据反下垂关系，从电流源的无功功率指令值Q^*会增加。随着从电源输出无功功率的增加，由于负载总功率一定，主电压源的输出无功功率增加和公共连接点处电压幅值的下降的趋势被抵消，形成负反馈，最终***达到新的稳态。与频率不同，稳态下并联***内各个点的电压幅值不能自动同步一致。由于线路阻抗上存在压降，主电源输出端的电压幅值大于公共连接点处的电压幅值，因此，不同于有功功率，主电源和从电源输出的无功功率并不按照额定电压下无功功率的设定点Q_0M和Q_0S的比例均分。依据反下垂原理，从电源通过增加自身的无功功率输出，使得主电源输出的无功功率降低，主电源输出端至公共连接点的线路上的电压降落也随之减小，确保公共连接点处的电压幅值不会有过大降落。在稳态下，从电流源输出的无功功率远大于主电压源，起到补偿无功、维持公共连接点处电压幅值的作用。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：通过测量公共连接点处的频率和电压幅值的变化，基于一种新型反下垂原理，实时计算调整电流控制型逆变器的输出有功功率和无功功率的指令值，能够实现稳态下均分有功功率、补偿无功功率、辅助调节公共连接点处电压的作用。本发明在传统电流控制型逆变器的控制结构基础上进行改进，增加了公共连接点处电压测量环节和反下垂计算功率指令值环节，结构简单、条理清晰，可行性和实用性强，为工程应用提供了很好的参考价值；与下垂控制的电压源相比，有功和无功功率是独立控制的，不存在耦合问题，电阻性线路阻抗不会危及电流控制型逆变器的性能，由于功率控制非常灵活，具有通过调整其输出功率来补偿母线电压偏差、辅助电压调节的潜力，弥补了传统下垂控制的电压源的缺陷，提升整体运行表现。

附图说明

图1为本发明所提出的电流控制型三相逆变器改进方法控制框图；

图2(a)为本发明所提出的频率—有功功率指令值反下垂曲线图，图2(b)公共连接点电压幅值—无功功率指令值反下垂曲线图；

图3为逆变器直流侧储能控制原理框图；

图4为阻性线路阻抗时，两台并联逆变器输出功率的仿真波形图。其中，图4(a)为传统下垂控制的两台电压控制型逆变器并联；图4(b)为传统下垂控制的一台电压控制型逆变器与本发明所提出的改进方法控制的一台电流控制型逆变器并联；

图5为无功负载增加时，公共连接点的电压幅值和两台并联逆变器输出无功功率的仿真波形图。其中，图5(a)为传统下垂控制的两台电压控制型逆变器并联；图5(b)为传统下垂控制的一台电压控制型逆变器与本发明所提出的改进方法控制的一台电流控制型逆变器并联。

具体实施方式

下面结合具体的实例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供了一种电流控制型逆变器改进控制方法，其原理如图1至图3所示。在仿真中，将采用该改进方法与采用传统控制方法的逆变器并联***进行了对比，结果如图4和图5所示。图4(a)和图4(b)表示的是阻性线路阻抗时，传统方法与改进方法控制的两台并联逆变器输出功率的仿真波形图。可以看出采用本发明提出的控制方法，在阻性线路阻抗条件下，同样可以实现有功功率的均分，并且不会产生巨大的无功环流损坏逆变器；图5(a)和图5(b)表示的无功负载增加时，传统方法与改进方法控制的两台并联逆变器的公共连接点的电压幅值和输出无功功率的仿真波形图。可以看出，本发明提出的改进控制方法可以通过令电流源补偿无功功率输出的方式，防止公共连接点的电压幅值跌落过大，保证为负载供电的电压质量。仿真结果验证了本发明所提出的电流控制型逆变器改进控制方法的有效性和可行性。

其具体实现步骤如下：

1)在两相同步旋转dq坐标系下，通过锁相环将逆变器交流侧公共连接点上的q轴电压幅值箝位为0，测量d轴电压幅值v_PCCd和频率ω_PCC，测量逆变器的dq轴输出电流i_od，i_oq。其中公共连接点上的电压幅值和频率值用来计算生成有功功率和无功功率的指令值，逆变器的输出电流作为控制器的反馈信号；

2)计算生成有功功率和无功功率的指令值P^*和Q^*：

P^*＝P₀-m_ω(ω_PCC-ω₀)

Q^*＝Q₀-n_v(v_PCCd-V₀)

其中，m_ω和n_v是公共连接点处频率和电压幅值的下垂斜率，m_ω,n_v>0。P₀和Q₀是在公共连接点的频率值等于电网额定频率ω₀，电压幅值等于电网额定电压V₀的情况下，逆变器输出功率参考值的初始设定。P^*和Q^*是根据公共连接点的实际频率值和电压幅值计算出的有功功率和无功功率指令值。

3)将步骤2)中计算出的有功功率和无功功率的指令值P^*和Q^*进行一阶低通滤波，滤波器截至频率为ω_crad/s。滤波后得到的功率指令值为和在稳态下，存在其中，下面公式中的s＝jω,是复频域变量。

4)计算dq坐标系下电流控制环的指令值和

5)将步骤4)计算出的dq轴电流指令值送入逆变器内部的电流控制器，经过闭环反馈控制逆变器输出电流控制器输出的信号作为调制电压生成PWM信号，控制开关管的通断。进而实现控制逆变器稳态时的实际输出功率P_o＝P^*,Q_o＝Q^*。

6)为了使逆变器的一次侧具有足够的发电容量满足功率调整的需求，在图1中，直流侧设置电池储能和一个buck-boost双向变流器，和光伏发电单元并联，共同调节一次侧的输出功率。如图3所示，当逆变器交流侧的输出功率参考值P^*大于光伏板所能输出的最大功率P_PV时，变流器被控制工作在boost模式，电池放电补充不足的所需功率；当逆变器交流侧的输出功率参考值小于光伏板的最大功率时，为了避免能源浪费，电池充电吸收剩余的功率，变流器被控制工作在buck模式

具体的，本发明在仿真软件PSCAD中搭建了如图1所示的两台逆变器并联模型，将采用传统控制方法与采用本发明所提出的改进方法的逆变器并联***进行了对比。首先，在线路阻抗中阻性成分较大的情况下，对并联***进行了仿真。其中，图4(a)为传统下垂控制的两台电压控制型逆变器并联；图4(b)为传统下垂控制的一台电压控制型逆变器与本发明所提出的改进方法控制的一台电流控制型逆变器并联。在0到2s之间，3000W的有功负载在两种控制方法下均可均分。然而，由于阻性线路阻抗会为传统下垂控制的电压控制型逆变器带来巨大的功率耦合，因此图4(a)中存在巨大的无功环流。2s之后有功负载增加至6000W，无功环流也相应增大。无功环流的存在可能会使得逆变器触发过流保护，缩短器件的寿命等等。在图4(b)中，改进方法控制的电流控制型逆变器不受阻性线路阻抗的影响，不存在无功环流。

其次，比较了无功负载增加前后，公共连接点处的电压波形。当无功负载从0增加至6000Var时，图5展示了传统方法与改进方法控制的并联***，公共连接点处的电压变化。加入线路阻抗上的无功损耗，总无功功率需求约为6300Var。图5(a)中，传统下垂控制方法下的两台逆变器均分无功功率。尽管每台逆变器的无功功率输出都增加很多，约为3126Var，而无功下垂斜率的取值非常小，约为10^-4，因此每台逆变器的输出端电压的降落非常小，仅为0.31V。然而，由于线路阻抗上的压降会随着逆变器输出无功的增加而显著增加。因此，最终公共连接点上的电压跌落较大，为6.5V。而对于图5(b)中的改进控制方法，从电流源根据反下垂机制，为防止公共连接点处电压幅值偏移过大，承担了大部分的无功功率。从而，使主电压源的输出无功功率和线路阻抗上的压降很小，最终公共连接点处电压跌落只有0.7V，优于下垂控制。

本发明给出了一种电流控制型逆变器改进控制方法。为了验证所提出的控制方法的可行性，作者在仿真软件PSCAD中搭建了仿真模型进行验证。仿真结果证明了该控制方法可以取得比传统控制方法更优的控制表现。该方法正确、可靠，为工程应用提供了很好的参考价值。

Claims (1)

1.微网中电流控制型逆变器改进控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在两相同步旋转dq坐标系下，锁相环将逆变器交流侧公共连接点上的q轴电压幅值箝位为0，测量d轴电压幅值v_PCCd和频率ω_PCC，测量逆变器的dq轴输出电流i_od和i_oq；其中，公共连接点上的频率和电压幅值用来计算生成有功功率和无功功率的指令值，逆变器的输出电流作为控制器的反馈信号；

2)计算生成有功功率和无功功率的指令值P^*和Q^*：

P^*＝P₀-m_ω(ω_PCC-ω₀)

Q^*＝Q₀-n_v(v_PCCd-V₀)

其中，m_ω和n_v是公共连接点处频率和电压幅值的下垂斜率，m_ω,n_v>0；P₀和Q₀是在公共连接点的频率值等于电网额定频率ω₀，电压幅值等于电网额定电压V₀的情况下，逆变器输出功率参考值的初始设定，P^*和Q^*是根据公共连接点的实际频率值和电压幅值计算出的有功功率和无功功率指令值；

3)将步骤2)中计算出的有功功率P^*和无功功率的指令值Q^*进行一阶低通滤波，滤波器截至频率为ω_crad/s；滤波后得到的功率指令值为和在稳态下，存在其中，下面公式中的s＝jω,是复频域变量；

4)计算dq坐标系下电流控制环的指令值和

5)将步骤4)计算出的dq轴电流指令值送入逆变器内部的电流控制器，经过闭环反馈控制逆变器输出电流控制器输出的信号作为调制电压生成PWM信号，控制开关管的通断，进而实现控制逆变器稳态时的实际输出功率P_o＝P^*,Q_o＝Q^*。