一种低压微电网中并联逆变器的改进自适应下垂控制方法

技术领域

本发明涉及微电网领域，尤其是涉及一种低压微电网中并联逆变器的改进自适应下垂控制方法。

背景技术

伴随分布式能源的发展，配电网侧对供电质量、供电可靠性，系统容量等有较高的要求。而多个逆变器并联可以增大系统功率，组成微电网后，可以为用户提供高质量的电能，增加系统的供电可靠性。逆变器并联技术，分为有联络线以及无互联线控制方式。有联络线方式，主要通过检测系统中各个并联模块的信息，由上位机发出指令完成并联。其主要缺点是通信线路易出现延迟，若通信线路发生故障，则微电网系统将面临瘫痪。下垂控制属于无互联线方式，而并联逆变器的控制符合下垂输出特性，因此能够根据有功-频率下垂曲线和无功-电压下垂曲线去模拟大电网中同步发电机的外特性。

经对现有文献的检索发现，陈杰于2013年在“北京交通大学”发表论文“城轨列车辅助供电系统高品质波形控制及无互联线并联关键技术研究”引出虚拟复阻抗，使低压微电网中并联逆变器的输出阻抗等效为感性，但没解决电压精度的问题。

孙孝峰，杨雅麟，赵巍，沈虹，谭广军.于2014年在“电网技术”发表论文“微电网逆变器自适应下垂控制策略”提出了自适应下垂控制策略，不足之处是负载均分和输出电压质量的固有矛盾难以折中考虑。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种低压微电网中并联逆变器的改进自适应下垂控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种低压微电网中并联逆变器的改进自适应下垂控制方法，所述方法包括下列步骤：

1)引入虚拟复阻抗使得并联逆变器的等效输出阻抗呈感性，得到下垂控制方程；

2)引入功率与下垂系数的一次函数项，取代下垂控制方程中的下垂系数，得到自适应下垂控制方程；

3)考虑引入虚拟复阻抗带来的电压跌落，得到改进自适应下垂控制方程，通过改进自适应下垂控制方法实现并联逆变器的改进自适应下垂控制。

所述下垂控制方程为：

$\left(\begin{array}{c}{w}_1=w_0-{\mathrm{mP}}_1\\ E_1=E_0-{\mathrm{nQ}}_1\end{array}\right)$

其中，w₁和E₁分别为逆变器输出的电压角频率和幅值，w₀和E₀分别为额定电压角频率和幅值，P₁和Q₁分别为逆变器输出的有功功率和无功功率，m为有功-频率下垂曲线的下垂系数，n为无功-电压下垂曲线的下垂系数。

所述功率与下垂系数的一次函数项包括有功功率与下垂系数的一次函数项和无功功率与下垂系数的一次函数项。

所述自适应下垂控制方程为：

$\left(\begin{array}{c}{w}_1=w_0-(m-m_1{P}_1)P_1\\ E_1=E_0-(n-n_1{Q}_1)Q_1\end{array}\right)$

其中，m₁为有功功率与下垂系数的一次函数项，n₁为无功功率与下垂系数的一次函数项。

所述m₁满足：

$\frac{0.43m}{P_0}\le m_1\le \frac{0.68m}{P_0}$

所述n₁满足：

$\frac{0.43n}{Q_0}\le n_1\le \frac{0.68n}{Q_0}$

其中，P₀和Q₀分别为额定有功功率和无功功率。

所述改进自适应下垂控制方程具体为：

$\left(\begin{array}{c}{w}_1=w_0-(m-m_1{P}_1)P_1\\ E_1=E_0-(n-n_1{Q}_1)Q_1+\frac{P_{1}R+Q_{1}X}{U_0}\end{array}\right)$

其中，R和X分别为引入虚拟复阻抗后逆变器的等效输出阻抗的电阻和电感；U₀为逆变器的等效输出电压。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)增加了电压跌落补偿，解决了引入虚拟复阻抗后的电压跌落问题，实现了并联逆变器负载均分和输出电压的折中考虑。

(2)引入功率与下垂系数的一次函数项，解决了传统的下垂控制方法受限于固定下垂参数。

(3)引入了虚拟复阻抗，使得并联逆变器的等效输出阻抗呈感性，使得并联逆变器可以采用传统的下垂控制方法进行控制。

附图说明

图1为实施例中并联逆变器的电路图；

图2为传统下垂控制的有功-频率下垂特性曲线图；

图3为下垂控制原理图；

图4为引入虚拟复阻抗后等效电路图；

图5为引入虚拟复阻抗前后的逆变器等效输出阻抗波特图；

图6为m取不同数值时，有功功率与频率的下垂特性曲线；

图7为本实施例中的仿真波形图，其中，(7a)为并联后负载突增的A相动态电流波形图，(7b)为1KW负载下逆变器并联瞬间有功均分波形图，(7c)为并联后负载突增的A相动态电流波形图，(7d)为负载突变时并联逆变器输出电压波形图；

图8为采用改进下垂控制算法后实验波形，其中，(8a)为并联逆变器负载均分电流波形，(8b)为并联逆变器负载突增时输出动态电流波形。

图9为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图9所示，本发明提供了一种低压微电网中并联逆变器的改进自适应下垂控制方法，该方法包括下列步骤：

1)引入虚拟复阻抗：

传统三环下垂控制中逆变器输出电压表达式为：

U₀＝G(s)u_ref-I₀(s)Z(s)

公式中G(s)描述的是受控电压源对输出电压u_ref指令的跟踪性能，Z(s)等效为逆变器输出阻抗，由两部分构成：虚拟阻抗Z_D(s)以及电压电流闭环等效的输出阻抗Z₀^*(s)。当虚拟阻抗取值为纯感性时，即Z_D(s)＝sL。引入虚拟阻抗后，等效电路图如图4所示，在低频段，等效输出阻抗Z(s)呈感性，根据传统下垂公式的下垂特性，能够实现P、Q的解耦。在高频开关频率谐波段，等效输出阻抗呈阻性。如图5所示，由电流流过虚拟阻抗后的压降u_D模拟出串联虚拟阻抗上的压降，由下垂特性得出输出电压指令E^*后，将u_D减去，最终得出修正之后的输出端逆变器电压给定指令：u_ref＝E^*-u_D；因而，引入虚拟复阻抗后，使得并联逆变器的等效输出阻抗呈感性，得到下垂控制方程：

$\left(\begin{array}{c}{w}_1=w_0-{\mathrm{mP}}_1\\ E_1-E_0-{\mathrm{nQ}}_1\end{array}\right)$

其中，w₁和E₁分别为逆变器输出的电压角频率和幅值，w₀和E₀分别为额定电压角频率和幅值，P₁和Q₁分别为逆变器输出的有功功率和无功功率，m为有功-频率下垂曲线的下垂系数，n为无功-电压下垂曲线的下垂系数，传统下垂控制的有功-频率下垂特性曲线如图2所示，传统的下垂控制原理图如图3所示；

2)引入功率与下垂系数的一次函数项，即有功功率与下垂系数的一次函数项和无功功率与下垂系数的一次函数项，取代下垂控制方程中的下垂系数，得到自适应下垂控制方程：

$\left(\begin{array}{c}{w}_1=w_0-(m-m_1{P}_1)P_1\\ E_1=E_0-(n-n_1{Q}_1)Q_1\end{array}\right)$

其中，m₁为有功功率与下垂系数的一次函数项，n₁为无功功率与下垂系数的一次函数项。

m、n则根据传统的下垂控制计算，电压最小值一般取u_ref的90％-95％，频率的波动度一般控制在2％之内。所增加的一次函数相在m₁、n₁数值基础上取值。将下垂系数m₁取在0.43m/P₀与0.68m/P₀之间，如图6所示；n₁取在0.43n/Q₀与0.68n/Q₀之间。即m₁满足：

$\frac{0.43m}{P_0}\le m_1\le \frac{0.68m}{P_0}$

n₁满足：

$\frac{0.43n}{Q_0}\le n_1\le \frac{0.68n}{Q_0}$

其中，P₀和Q₀分别为额定有功功率和无功功率；

3)补偿由于引出虚拟复阻抗带来的电压跌落，

在引入虚拟阻抗反馈后，电压幅值的下垂量必然增大，系统的输出电压精度将下降；另外在并联逆变器中的负载发生突变时，参考电压或下垂系数需要较大改变才能实现各台逆变器的功率均分。因此从兼顾逆变器并联时的负载均分性能以及控制电压精度两方面控制要求来看，需要补偿由于采用虚拟阻抗带来的电压降，将传统的固定下垂系数设计为动态可变，因而可以得到改进自适应下垂控制方程：

$\left(\begin{array}{c}{w}_1=w_0-(m-m_1{P}_1)P_1\\ E_1=E_0-(n-n_1{Q}_1)Q_1+\frac{P_{1}R+Q_{1}X}{U_0}\end{array}\right)$

其中，R和X分别为引入虚拟复阻抗后逆变器的等效输出阻抗的电阻和电感；U₀为逆变器的等效输出电压。

实施例1

以Simulink作为仿真平台，将两台三相逆变器共接在同一段交流母线上，其等效数学模型图如图1所示。并联逆变器的主电路主要参数为：输入直流电压为700V，输出电压220V/50Hz，单台逆变器的额定有功功率为1.7KW，额定无功功率为500Var，滤波电感3.14mL，滤波电容为100uF，功率滤波器的转折频率为20rad/s。取一组下垂系数m为0.00004、n为0.0012。仿真波形图如图7所示，(7a)和(7b)中，在两台并联逆变器稳定运行后，在t为0.06s时刻，突然增加公共负载至2.6KW，可以看出改进下垂控制算法引入动态调整系数后，电流波形变化很平缓，两台逆变器的输出电流均由1A快速上升到2A时，并联逆变器表现出了较好的负载均分和动态性能。(7c)中，在t为0.18s时刻，启动逆变器1带1KW负载，在t为0.195s时刻，启动逆变器2开始工作，可以看出逆变器并联瞬间存在环流，但经过约1/4工频周期后，两台逆变器输出功率趋于一致，间接说明改进下垂控制算法可以将并联逆变器的频率控制趋于一致，实现负载均分。并且在逆变器2并联瞬间，冲击很小，进入稳定运行状态很平缓。(7d)是在并联逆变器平稳运行后，在0.22s时刻突增阻性负载由0.5KW到1KW，可以看出并联逆变器输出电压幅值不会跌落，稳定性能很好。说明改进下垂控制算法对引入虚拟阻抗后造成的电压降落补偿效果较好。

实施例2

以两台1.7KW的三相两电平逆变器并联作为实验平台。控制系统使用TMS320FM2812控制芯片，开关频率设为12.8KHz，实验中加入1Ω的阻性线路阻抗，模拟传统低压电力线路上的阻抗。实验参数与仿真一致。可得到并联逆变器稳定运行时的负载电流均分波形，在0.06s时刻负载突增时并联逆变器电流的动态实验波形。实验波形如图8所示，说明所采用改进下垂控制算法，在两台逆变器并联时能较好的实现负载功率均分，并且在负载突变时，输出电流的动态性能较好。验证了改进控制算法的有效性。