CN110783948B - 一种基于空载电压增益补偿的并联逆变器下垂控制方法 - Google Patents

一种基于空载电压增益补偿的并联逆变器下垂控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于空载电压增益补偿的并联逆变器下垂控制方法，对于逆变器并联***中的每个逆变器，在逆变器对应的电压下垂控制方程中引入空载电压增益补偿；具体为通过电压控制器和逆变器的数学模型可计算出逆变器空载电压增益，并计算基波频率处的空载电压增益幅度，对电压下垂方程进行补偿。本发明通过引入空载电压增益补偿，能够修正不同逆变器空载电压增益失配带来的影响，取得良好的并联效果。

Description

一种基于空载电压增益补偿的并联逆变器下垂控制方法
技术领域
本发明涉及逆变器并联控制技术领域，具体涉及一种基于空载电压增益补偿的并联逆变器下垂控制方法。
背景技术
逆变器并联控制技术能够提高***的冗余度和可扩展性，增强供电可靠性，是新能源、分布式发电、微电网和不间断电源等领域的核心技术之一。
逆变器的形态可由硬件和控制两个层面来描述，硬件层面包括功率等级和拓扑结构，控制层面包括电压控制策略、滤波参数、母线电压和开关频率等不同。实际应用中，如微电网等，迫切需要兼容不同形态逆变器(所述同形态逆变器指并联的逆变器在硬件和控制层面均相同，具有相同的拓扑、功率等级、电压控制策略和参数)并联运行的控制技术。对多形态逆变器进行协同控制，从逆变器的戴维南等效模型来看，除了需要考虑阻抗失配的因素，还要面临空载电压增益失配等问题，与同形态逆变器并联相比更具复杂性。
下垂控制方程包括电压下垂控制方程和频率下垂控制方程。“Fast reactivepower sharing,circulating current and resonance suppression for parallelinverters using resistive-capacitive output impedance.IEEE Transactions onPower Electronics,2016,31(8)”指出根据逆变器阻抗的不同，下垂控制方程共有五种类型，如表1所示，其中V*和ω*为额定输出电压幅值和角频率，V和ω为设定值，kpv、kqv、kpω和kqω为下垂系数。
表1下垂控制方程的五种类型
但上述公开文献未考虑不同形态逆变器并联存在的问题。
如上所述，现有下垂控制技术大多是以同形态逆变器组成的并联***为研究对象进行推导得到，即考虑协同运行的逆变器具有相同的拓扑、电压控制策略和参数，隐含了逆变器空载电压增益函数在基波频率幅度为1、相位为0°的条件，在协同控制方面主要考虑阻抗(包括逆变器等效阻抗和馈线阻抗)失配带来的影响。对于多形态逆变器组成的并联***，由于逆变器在拓扑、参数和波形控制策略等方面存在差异，除了阻抗层面的差异之外，还存在空载电压增益的特性差异，现有下垂控制技术应用于多形态逆变器的无线并联控制难以取得较好的效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种基于空载电压增益补偿的并联逆变器下垂控制方法，通过引入空载电压增益补偿，能够修正不同逆变器空载电压增益失配带来的影响，取得良好的并联效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于空载电压增益补偿的并联逆变器下垂控制方法，对于逆变器并联***中的每个逆变器，在逆变器对应的电压下垂控制方程中引入空载电压增益补偿，具体如下：
V＝f(V*,P,Q)/GvA
其中，f(V*,P,Q)表示任意电压下垂控制方程；V*表示额定输出电压负载；P表示有功功率；Q表示无功功率；V表示电压设定值；GvA表示基波频率f0下Gv(s)的幅度值；Gv(s)表示逆变器的空载电压增益函数；
GvA表示如下：
优选的，逆变器的空载电压增益函数Gv(s)，表示如下：
其中，vo(s)表示输出电压；vref(s)表示输入电压控制器的参考电压；io表示逆变器输出电流。
优选的，频率下垂控制方程如下：
ω＝f(ω*,P,Q)
其中，f(ω*,P,Q)表示与电压下垂控制方程同类型的频率下垂控制方程；ω表示角频率设定值，ω*表示额定电压角频率。
优选的，输入电压控制器的参考电压由电压下垂方程给出的电压设定值V和频率下垂方程给出的角频率设定值ω获取，其时域表达式如下：vref＝Vsinωt。
优选的，所述电压下垂控制方程和频率下垂控制方程，包括：L型、R型、C型、RL型和RC型。
优选的，所述逆变器并联***包括两个及以上的逆变器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
现有下垂控制技术适用于同形态逆变器的并联运行控制，对于电压控制策略或参数不同的逆变器之间的并联，难于取得良好的功率均分效果。而并逆变器的形态存在差异，如电压控制策略或参数不同，在数学模型中体现为逆变器空载电压增益和等效阻抗的不同。本发明通过引入空载电压增益补偿，能够修正不同逆变器空载电压增益失配带来的影响，取得良好的并联效果。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种基于空载电压增益补偿的并联逆变器下垂控制方法不局限于实施例。
附图说明
图1为本发明实施例的逆变器电压控制框图；
图2为本发明实施例的并联逆变器控制框图；
图3为本发明实施例的单相全桥逆变器主电路；
图4为本发明实施例的逆变器并联***结构图；
图5为本发明实施例的第一逆变器等效电压控制框图；
图6为本发明实施例的第二逆变器等效电压控制框图；
图7为本发明实施例未加空载电压增益补偿时两台逆变器并联仿真结果；其中，(a)表示两台逆变器输出的有功波形图；(b)表示两台逆变器输出的无功波形图；(c)表示两台逆变器输出的电压波形图；(d)表示两台逆变器输出的电流波形图；
图8为本发明实施例加入空载电压增益补偿时两台逆变器并联仿真结果；其中，(a)表示两台逆变器输出的有功波形图；(b)表示两台逆变器输出的无功波形图；(c)表示两台逆变器输出的电压波形图；(d)表示两台逆变器输出的电流波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案做进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于空载电压增益补偿的并联逆变器下垂控制方法，对于逆变器并联***中的每个逆变器，在逆变器对应的电压下垂控制方程中引入空载电压增益补偿，具体如下：
V＝f(V*,P,Q)/GvA (1)
其中，f(V*,P,Q)表示任意电压下垂控制方程，所述电压下垂控制方程包括如表1中所述的L型、R型、C型、RL型和RC；V*表示额定输出电压负载；P表示有功功率；Q表示无功功率；V表示电压设定值，为V*、P和Q的函数；GvA表示基波频率f0下Gv(s)的幅度值；Gv(s)表示逆变器的空载电压增益函数；
需要说明的是，所述电压下垂控制方程也可以包括上述五种类型的各种改动形式或其他表示形式，具体的，本实施例不做限制。
GvA表示如下：
具体的，通过电压控制器和逆变器的数学模型可得到逆变器电压控制框图，参见图1所示，根据图1可获得逆变器的空载电压增益函数Gv(s)，表示如下：
其中，vo(s)表示输出电压；vref(s)表示输入电压控制器的参考电压；io表示逆变器输出电流。
进一步的，频率下垂方程表示如下：
ω＝f(ω*,P,Q)
其中，f(ω*,P,Q)表示与电压下垂控制方程同类型的频率下垂控制方程；ω*表示额定电压角频率；ω表示角频率设定值，为ω*、P和Q的函数。
通过式(1)，对于采用不同电压控制策略的逆变器，其戴维南等效模型中基波频率处的空载电压增益幅度将统一被补偿为单位1，因此能够抵消空载电压增益失配对并联***功率均分带来的影响。需要指出的是，不必对空载电压增益相位的差异进行补偿，这是由于空载电压增益相位所引入的相位滞后为一固定值，而逆变器并联时会通过锁相环对逆变器输出电压相位进行调节，所以无需对空载电压增益相位进行固定补偿，因此，不用对频率下垂控制方程进行修正。
具体的，参见图1所示，可以计算得到逆变器的戴维南等效电路模型为：
vo＝Gv(s)·vref-Zo(s)·io (4)
其中，Gv(s)为空载电压增益函数，表征了空载时逆变器输出电压对参考电压指令的跟踪性能；Zo(s)为等效输出阻抗；vref为输入电压控制器的参考电压，io为逆变器输出电流。
综上，可得到本发明提出的基于电压增益补偿的并联逆变器控制框图，如图2所示。通过电压控制器和逆变器的数学模型可计算逆变器空载电压增益，进一步计算基波频率处的空载电压增益幅度，对电压下垂方程进行补偿。然后进行平均功率计算得到逆变器输出的有功功率和无功功率，然后通过电压下垂方程和频率下垂方程得到电压幅值和频率设定点，合成正弦参考电压，送入电压控制器生成驱动信号驱动开关管通断。其中，电压控制器一般包括电压外环控制器和电流内环控制器。
以下结合具体实施方式对此技术作进一步说明。
需要说明的是，如下以单相逆变器为例进行说明，但并不局限于单相逆变器，还可以包括三相等各种拓扑的逆变器并联。此外，并联的逆变器也不限于两个，可以包括多个。
本实施方式中，逆变器为单相全桥拓扑，参见图3所示，其中Vdc为直流母线电压，L和C为输出滤波电感和电容，r表示L的等效串联电阻、开关管导通电阻和线路电阻之和，iL和io分别为电感电流和输出电流，vo为输出电压。逆变器并联***由两台逆变器组成，如图4所示。
两台逆变器所采取的电压控制器不同。第一逆变器电压环采用准比例谐振控制器，电流环采用PI控制器；第二逆变器电压环和电流环均采用PI控制器，此外还引入了输出电流前馈。可得到两台逆变器的电压控制框图，分别如图5和图6所示。
第一逆变器中的电压环控制器Gvc1、第一逆变器中的电流环控制器Gic1、第二逆变器中的电压环控制器Gvc2和第二逆变器中的电流环控制器Gic2分别表示如下：
由此可得，所述第一逆变器和第二逆变器的空载电压增益函数分别表示如下：
其中，Gvc1表示第一逆变器中的电压环控制器；Gic1表示第一逆变器中的电流环控制器；Gvc2表示第二逆变器中的电压环控制器；Gic2表示第二逆变器中的电流环控制器；Vdc表示逆变器的直流母线电压；L表示逆变器的输出滤波电感；C表示逆变器的输出滤波电容；r表示L的等效串联电阻、开关管导通电阻和线路电阻之和。
具体的，各参数的含义如表2所示。
表2电路和控制参数
通过图5和图6，可以计算得到逆变器空载电压增益函数的表达式，如式(9)和(10)所示。所用参数如表2所示，将表2中的参数代入式(9)和(10)，可以计算得到第一逆变器在基波频率下的空载电压增益幅度GvA1为0.999；第二逆变器在基波频率下的空载电压增益幅度GvA2为1.009。
本实施例以传统R型下垂控制策略为例，传统R型下垂控制方程可表示为：
V＝V*-kpvP (11)
ω＝ω*+kqωQ (12)
本发明对电压下垂方程引入空载电压增益补偿，第一逆变器和第二逆变器的电压下垂方程分别调整为：
第一逆变器：V1＝(V*-kpvP1)/GvA1
第二逆变器：V2＝(V*-kpvP2)/GvA2
由电压下垂方程给出的电压设定值V1和V2，以及频率下垂方程给出的角频率设定值ω1和ω2分别生成两台逆变器的电压参考vref1和vref2，送入各自的电压控制器，生成开关器件驱动信号，驱动开关管工作。
仿真结果如图7和图8所示。可知，采用R型下垂控制方程时，输出有功功率和输出电流存在明显偏差，并联效果较差。这是由于两台逆变器所采用的电压控制器存在差异，使得空载电压增益和等效输出阻抗存在差异，此外连线阻抗不同也有影响。当电压下垂方程加入本发明提出的空载电压增益补偿时，两台逆变器输出有功功率和输出电流偏差大为减小，并联***性能得到有效提升。
需要说明的是，尽管上述实施例中两个并联的逆变器只体现了控制策略的不同，但本发明的控制方法同样适用于并联逆变器硬件和控制层面均不相同的场景。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于空载电压增益补偿的并联逆变器下垂控制方法，其特征在于，对于逆变器并联***中的每个逆变器，在逆变器对应的电压下垂控制方程中引入空载电压增益补偿，具体如下：
V＝f(V*,P,Q)/GvA
其中，f(V*,P,Q)表示任意电压下垂控制方程；V*表示额定输出电压负载；P表示有功功率；Q表示无功功率；V表示电压设定值；GvA表示基波频率f0下Gv(s)的幅度值；Gv(s)表示逆变器的空载电压增益函数；
GvA表示如下：
逆变器的空载电压增益函数Gv(s)，表示如下：
其中，vo(s)表示输出电压；vref(s)表示输入电压控制器的参考电压；io表示逆变器输出电流；
频率下垂控制方程如下：
ω＝f(ω*,P,Q)
其中，f(ω*,P,Q)表示与电压下垂控制方程同类型的频率下垂控制方程；ω表示角频率设定值，ω*表示额定电压角频率；
输入电压控制器的参考电压由电压下垂控制方程给出的电压设定值V和频率下垂控制方程给出的角频率设定值ω获取，其时域表达式如下：vref＝Vsinωt；
所述控制方法操作步骤包括：通过电压控制器和逆变器的数学模型计算逆变器空载电压增益函数，进一步计算基波频率处的空载电压增益幅度，对电压下垂控制方程进行补偿；然后进行平均功率计算得到逆变器输出的有功功率和无功功率，然后通过电压下垂控制方程和频率下垂控制方程得到电压幅值和频率设定点，合成正弦参考电压，送入电压控制器生成驱动信号驱动开关管通断；其中，电压控制器包括电压外环控制器和电流内环控制器。
2.根据权利要求1所述的基于空载电压增益补偿的并联逆变器下垂控制方法，其特征在于，所述电压下垂控制方程和频率下垂控制方程，包括：L型、R型、C型、RL型和RC型。
3.根据权利要求1所述的基于空载电压增益补偿的并联逆变器下垂控制方法，其特征在于，所述逆变器并联***包括两个及以上的逆变器。
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