CN108683216B - 非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于自调整虚拟谐波阻抗的并联逆变器谐波功率均分控制方法，本发明首先采用下垂控制算法得到输出电压幅值和相角值，并合成输出电压参考值，然后加入自调整虚拟谐波阻抗算法，得到输出电压指令，并进行输出电容电压电感电流双闭环控制。自调整虚拟谐波阻抗算法即引入谐波电流信息构造变虚拟谐波阻抗，建立起谐波电流与虚拟谐波阻抗的自调整下垂关系，动态地调节谐波电流分配。本发明提出的改进型虚拟谐波阻抗机制，采用自调整方法重新构造***的输出阻抗，减小谐波环流进而减小总的环流，无需各逆变器间通讯和馈线阻抗检测，可自适应地均分谐波功率。

Description

非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法

技术领域

本发明属于电力***中的新能源分布式发电、孤岛微电网逆变器并联运行时的功率均分控制技术领域，具体涉及一种非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法。

背景技术

环境污染、能源危机日益严重，随着光伏、水电及风电等新能源发电技术的发展和应用，同时为协调大电网与分布式电源间的矛盾，微电网应用而生。逆变器作为分布式电源接入微电网的接口，使得大量微源并入微电网，构成了多逆变器并联环境。

当微电网***为非线性负载供电时，非线性负载本身带有的谐波会影响***频率及电压的调整，使其不能很好地协调控制各逆变器间的输出功率，降低并联***的基波及谐波功率均分精度，尤其是当各并联逆变器馈线阻抗存在差异时，功率均分精度更加难以保证。若某台逆变器承担过高的负载功率，会导致该逆变器过载，影响***的稳定运行。功率均分分为基波功率均分和谐波功率均分。其中，基波功率均分策略研究较多，技术也较为成熟，而谐波功率的均匀分配仍然具有难度，因此，实现各微源逆变器按其容量分配谐波功率具有重要的研究意义。

发明内容

本发明的目的是提供了一种非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法，解决了并联逆变器孤岛运行时各逆变器无法按其额定容量均分负载功率的问题。

本发明所采用的技术方案是，非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法，包括以下步骤：

步骤1，采样逆变器x的输出电压u_{o_x}，桥臂电感电流i_{L_x}和输出电流i_{o_x}，其中x表示逆变器编号，且x∈[1,n]，而n表示逆变器台数，且n≥2；

步骤2，根据平均功率计算方法计算得到逆变器x的平均有功功率P_x和平均无功功率Q_x；

步骤3，采用下垂控制器对平均有功功率P_x和平均无功功率Q_x进行处理，得到逆变器x的输出电压参考值u_{ref_x}；

步骤4，根据基波电流提取方法提取出逆变器x输出电流i_{o_x}中的基波电流分量

步骤5，将逆变器x的输出电流i_{o_x}与输出电流i_{o_x}中的基波电流分量作差得到逆变器x的总谐波电流分量并计算出逆变器x总谐波电流分量的有效值根据自调整虚拟谐波阻抗算法构造自调整虚拟谐波阻抗即建立起逆变器x的自调整虚拟谐波阻抗与其输出总谐波电流有效值的反下垂关系，并将其与总谐波电流作乘得到逆变器x自调整虚拟谐波阻抗上的压降

步骤6，将步骤3中的逆变器x输出电压参考值u_{ref_x}与步骤5中的逆变器x自调整虚拟谐波阻抗上的压降作差，得到逆变器x的输出电压闭环指令u_{ref_vir_x}；

步骤7，将输出电压闭环指令u_{ref_vir_x}与逆变器x的输出电压u_{o_x}作差，该差值经过电压调节器得到逆变器x的电感电流指令i_{L_ref_x}；

步骤8，将电感电流指令i_{L_ref_x}与逆变器x的桥臂电感电流i_{L_x}作差，该差值经过电流调节器得到调制信号u_x；

步骤9，调制信号u_x经过驱动及保护电路，驱动H桥逆变电路S₁-S₄四个功率开关管的通断，从而均分谐波功率。

本发明的特点在于，

步骤2中采用传统乘积法、虚拟正交矢量计算法或积分平均法进行平均功率计算。

步骤4中采用快速傅里叶分解法FFT、窄带滤波器选频法、i_p-i_q法、复合二阶广义积分法或基于d-q变换的方法对逆变器x输出电流i_{o_x}中的基波电流分量进行提取。

步骤7中电压调节器采用比例积分调节器、无差拍控制调节器、比例谐振调节器或重复控制调节器。

步骤8中电流调节器采用无差拍控制调节器、预测电流调节器或比例调节器。

步骤5按照以下步骤：

步骤5.1，将逆变器x输出电流i_{o_x}与其基波电流分量作差，得到逆变器x的总谐波电流分量并计算出逆变器x总谐波电流分量的有效值

步骤5.2，根据自调整虚拟谐波阻抗算法构造自调整虚拟谐波阻抗即建立起逆变器x的自调整虚拟谐波阻抗与其输出总谐波电流有效值的反下垂关系；

步骤5.3，将逆变器x总谐波电流与其自调整虚拟谐波阻抗作乘，得到逆变器x自调整虚拟谐波阻抗上的压降其计算公式为：

步骤5.2中逆变器x的自调整虚拟谐波阻抗的求取方法为：

A，将逆变器x的总谐波电流分量有效值与虚拟谐波阻抗下垂系数k^h作乘，得

其中，虚拟谐波阻抗下垂系数k^h的设计遵循以下设计准则：

1)各并联逆变器容量相同时，k^h取值相同，即满足：

且k^h＞0；

2)各并联逆变器容量不同时，k^h取值满足：

且k^h＞0

其中，S_x为逆变器x的额定容量；

B，用逆变器x的预置虚拟谐波阻抗值加上作乘后的结果得自调整虚拟谐波阻抗算法公式为：

其中，为逆变器x的预置虚拟谐波阻抗值，一般可设为0；

本发明公开的非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法，与现有的微电网逆变器并联功率均分控制方法相比，其有益效果体现在：

1)本发明在仅使用本地信息的基础上均分了谐波功率，降低了谐波环流，无需增加逆变器间通讯和额外的采样成本，也避免了因需要远距离输送信号而受到地域限制。

2)现有的加入固定虚拟阻抗值的方法需要加入远大于线路阻抗值的虚拟阻抗而忽略线路阻抗对功率均分的影响，且是在全频段加入虚拟阻抗值。本发明提出的自调整虚拟谐波阻抗避免了加入固定虚拟阻抗值的弊端，该策略根据各逆变器输出谐波电流构造变虚拟谐波阻抗，建立起谐波电流与虚拟谐波阻抗的自调整下垂关系，自适应地调节***阻抗，提高谐波功率均分精度，也避免了谐波功率的直接计算，简化了控制算法。

3)本发明中无需逆变器馈线阻抗的检测，因此适用于各种结构的微电网***，且实现简单。

4)本发明基于本地控制，无需通讯以及馈线阻抗检测，可自适应地调整各逆变器等效输出阻抗，提高各逆变器谐波功率均分精度。

附图说明

图1是本发明非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法的孤岛微电网多台逆变器并联的电路结构示意图；

图2是本发明非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法的***总体控制框图；

图3是本发明非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法的自调整虚拟谐波算法的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法，所依赖的多台逆变器并联***，如图1所示，包括多个分布式电源，多个分布式电源经过逆变器、滤波器以及传输线路后并入公共交流母线，然后从公共交流母线向负载供电，负载可以是阻性，感性，容性或非线性；

如图2、图3所示，本发明非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法，按照以下步骤实施：

步骤1，采样逆变器x的输出电压u_{o_x}，桥臂电感电流i_{L_x}和输出电流i_{o_x}，其中x表示逆变器编号，且x∈[1,n]，而n表示逆变器台数，且n≥2；

步骤2，根据平均功率计算方法计算得到逆变器x的平均有功功率P_x和平均无功功率Q_x；

其中，平均功率计算方法可以采用传统乘积法、虚拟正交矢量计算法或积分平均法；

步骤3，采用下垂控制器对平均有功功率P_x和平均无功功率Q_x进行处理，得到逆变器x的输出电压参考值u_{ref_x}；

步骤4，根据基波电流提取方法提取出逆变器x输出电流i_{o_x}中的基波电流分量

其中，基波电流提取方法可以采用快速傅里叶分解法(FFT)、窄带滤波器选频法、i_p-i_q法、复合二阶广义积分法或基于d-q变换的方法；

步骤5，将逆变器x的输出电流i_{o_x}与输出电流i_{o_x}中的基波电流分量作差得到逆变器x的总谐波电流分量并计算出逆变器x总谐波电流分量的有效值根据自调整虚拟谐波阻抗算法构造自调整虚拟谐波阻抗即建立起逆变器x的自调整虚拟谐波阻抗与其输出总谐波电流有效值的反下垂关系，并将其与总谐波电流作乘得到逆变器x自调整虚拟谐波阻抗上的压降

步骤5具体为：

步骤5.1，将逆变器x输出电流i_{o_x}与其基波电流分量作差，得到逆变器x的总谐波电流分量并计算出逆变器x总谐波电流分量的有效值

步骤5.2，根据自调整虚拟谐波阻抗算法构造自调整虚拟谐波阻抗即建立起逆变器x的自调整虚拟谐波阻抗与其输出总谐波电流有效值的反下垂关系；

其中，逆变器x的自调整虚拟谐波阻抗的求取方法为：

A，将逆变器x的总谐波电流分量有效值与虚拟谐波阻抗下垂系数k^h作乘，得

其中，虚拟谐波阻抗下垂系数k^h的设计遵循以下设计准则：

1)各并联逆变器容量相同时，k^h取值相同，即满足：

且k^h＞0

2)各并联逆变器容量不同时，k^h取值满足：

且k^h＞0

其中，S_x为逆变器x的额定容量；

B，用逆变器x的预置虚拟谐波阻抗值加上作乘后的结果得自调整虚拟谐波阻抗算法公式为：

其中，为逆变器x的预置虚拟谐波阻抗值，一般可设为0；

步骤5.3，将逆变器x的总谐波电流与其自调整虚拟谐波阻抗作乘，得到逆变器x自调整虚拟谐波阻抗上的压降其计算公式为：

步骤6，将步骤3中的逆变器x输出电压参考值u_{ref_x}与步骤5中逆变器x自调整虚拟谐波阻抗上的压降作差，得到逆变器x的输出电压闭环指令u_{ref_vir_x}，计算公式为：

步骤7，将输出电压闭环指令u_{ref_vir_x}与逆变器x的输出电压u_{o_x}作差，该差值经过电压调节器得到逆变器x的电感电流指令i_{L_ref_x}；

其中，电压调节器采用比例积分调节器、无差拍控制调节器、比例谐振调节器或重复控制调节器。

步骤8，将电感电流指令i_{L_ref_x}与逆变器x的桥臂电感电流i_{L_x}作差，该差值经过电流调节器得到调制信号u_x；

其中，电流调节器采用无差拍控制调节器、预测电流调节器或比例调节器。

步骤9，调制信号u_x经过驱动及保护电路，驱动H桥逆变电路S₁-S₄四个功率开关管的通断，从而均分谐波功率。

本发明的目的是针对微电网非线性负载下，并联逆变器孤岛运行时各逆变器无法按其额定容量均分负载功率的问题，提出了非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法。

Claims (7)

1.非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采样逆变器x的输出电压u_{o_x}，桥臂电感电流i_{L_x}和输出电流i_{o_x}，其中x表示逆变器编号，且x∈[1,n]，而n表示逆变器台数，且n≥2；

步骤2，根据平均功率计算方法计算得到逆变器x的平均有功功率P_x和平均无功功率Q_x；

步骤3，采用下垂控制器对平均有功功率P_x和平均无功功率Q_x进行处理，得到逆变器x的输出电压参考值u_{ref_x}；

步骤4，根据基波电流提取方法提取出逆变器x输出电流i_{o_x}中的基波电流分量

步骤5，将逆变器x的输出电流i_{o_x}与输出电流i_{o_x}中的基波电流分量作差得到逆变器x的总谐波电流分量并计算出逆变器x总谐波电流分量的有效值根据自调整虚拟谐波阻抗算法构造自调整虚拟谐波阻抗即建立起逆变器x的自调整虚拟谐波阻抗与其输出总谐波电流有效值的反下垂关系，并将其与总谐波电流作乘得到自调整虚拟谐波阻抗上的压降

步骤6，将步骤3中的逆变器x输出电压参考值u_{ref_x}与步骤5中的逆变器x自调整虚拟谐波阻抗上的压降作差，得到逆变器x输出电压闭环指令u_{ref_vir_x}；

步骤7，将输出电压闭环指令u_{ref_vir_x}与逆变器x的输出电压u_{o_x}作差，该差值经过电压调节器得到逆变器x的电感电流指令i_{L_ref_x}；

步骤8，将电感电流指令i_{L_ref_x}与逆变器x的桥臂电感电流i_{L_x}作差，该差值经过电流调节器得到调制信号u_x；

步骤9，调制信号u_x经过驱动及保护电路，驱动H桥逆变电路S₁-S₄四个功率开关管的通断，从而均分谐波功率。

2.根据权利要求1所述的非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法，其特征在于，所述步骤2中采用传统乘积法、虚拟正交矢量计算法或积分平均法进行平均功率计算。

3.根据权利要求1所述的非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法，其特征在于，所述步骤4中采用快速傅里叶分解法FFT、窄带滤波器选频法、i_p-i_q法、复合二阶广义积分法或基于d-q变换的方法对逆变器x输出电流i_{o_x}中的基波电流分量进行提取。

4.根据权利要求1所述的非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法，其特征在于，所述步骤7中电压调节器采用比例积分调节器、无差拍控制调节器、比例谐振调节器或重复控制调节器。

5.根据权利要求1所述的非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法，其特征在于，所述步骤8中电流调节器采用无差拍控制调节器、预测电流调节器或比例调节器。

6.根据权利要求1所述的非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法，其特征在于，所述步骤5按照以下步骤：

步骤5.1，将逆变器x输出电流i_{o_x}与其基波电流分量作差，得到逆变器x的总谐波电流分量并计算出逆变器x总谐波电流分量的有效值

步骤5.2，根据自调整虚拟谐波阻抗算法构造自调整虚拟谐波阻抗建立起逆变器x的自调整虚拟谐波阻抗与其输出总谐波电流有效值的反下垂关系；

步骤5.3，将逆变器x总谐波电流与其自调整虚拟谐波阻抗作乘，得到逆变器x自调整虚拟谐波阻抗上的压降其计算公式为：

7.根据权利要求6所述的非线性负载下并联逆变器谐波功率均分控制方法，其特征在于，所述步骤5.2中逆变器x的自调整虚拟谐波阻抗的求取方法为：

A，将逆变器x的总谐波电流分量有效值与虚拟谐波阻抗下垂系数k^h作乘，得

其中，虚拟谐波阻抗下垂系数k^h的设计遵循以下设计准则：

1)各并联逆变器容量相同时，k^h取值相同，即满足：

且k^h＞0；

2)各并联逆变器容量不同时，k^h取值满足：

且k^h＞0

其中，S_x为逆变器x的额定容量；

B，用逆变器x的预置虚拟谐波阻抗值加上作乘后的结果得自调整虚拟谐波阻抗算法公式为：

其中，为逆变器x的预置虚拟谐波阻抗值，设为0。