专利名称：一种基于虚拟阻抗的微网逆变器电压电流双环下垂控制方法
技术领域：
本发明涉及一种微网逆变器的控制方法，尤其涉及一种基于虚拟阻抗的微网逆变器电压电流双环下垂控制方法。
背景技术：
近年来，基于可再生能源的微电网技术由于其高效、经济、位置灵活和分散的特点成为国家节能减排，可持续发展战略规划的重要组成部分。微电网既可以与配电网连接工作于并网模式，也可以单独为本地负载供电，即运行于孤岛模式。当微电网孤岛运行时，逆变器的控制性能将直接影响到负载的供电质量。其常见的控制方法一般可分为两类。第一类是有互联线方法，包括集中控制、主从控制、平均负载分配法等。这些方法可以达到很好的均流效果，并减小输出电压总谐波畸变率。然而互联线的存在会限制系统的灵活性和冗余性，而且会降低微电网系统的可靠性。第二类是无互联线方法，此类方法只依赖于各模块自身的控制量，具有冗余性和灵活性等特点。无互联线方法一般分为谐波注入法和下垂法。谐波注入法实际上是以电力线作为信号线，利用谐波合成和检测方法达到有通信线的并联效果。理论上可消除由连线阻抗大小不等引起的均流误差，但由于谐波分量的引入，使输出电压畸变增大且控制较为复杂。下垂法采用交流电机中的控制思想，利用有功功率和电压的频率、无功功率和电压幅值之间的对应关系来调节逆变器输出电压参考值。然而，传统下垂法有效控制的前提是线路阻抗呈感性。在微电网中，线路阻抗可能是呈阻性或阻感性，此时传统下垂法无法实现有效的控制。为了解决此问题，各国学者对传统下垂法进行了改进。比如，德国学者A. Engler 禾口 N. Soultanis 在 IEEE International Conference on Future Power Systems 上发表论文《Droop control in LV-grids》，文中在线路阻感比(R/X)很高的情况下，采用反下垂特性控制逆变器输出电压的幅值和频率，但这种方法无法适用于阻感性连线阻抗的系统。当线路阻抗中的阻性成分和感性成分均不可忽略时，比利时学者Karel De Brabandere 在 IEEE Transactions on Power Electronics 上发表论文《A voltage and frequency droop control method for parallel inverters》，文中采用有功功率禾口无功功率角军華禹的方法可以精确控制系统的输出功率，但是这种方法需要精确的获得线路中阻感比的数值。 为了减小线路阻感比对下垂控制器的影响，提高因逆变器个体差异而引起的系统内阻抗不同时下垂控制器的功率分配效果，同时又避免外加均流电感引起的负面问题，西班牙学者 Guerrero 在 IEEE Transactions on Industrial Electronics 上发表的论文((Output impedance design of parallel-connected UPS inverters with wireless load-sharing control))中提出了“虚拟阻抗法”，即在逆变器的闭环控制外加入输出阻抗调节模块，通过虚拟阻抗来抑制阻抗差异对功率分配的影响。但是加入的感性虚拟阻抗对高次谐波会表现为较高的阻抗，当系统带谐波含量较大的负载时，会因为虚拟电感的作用而使得输出电压畸变严重。另外，此类下垂控制一般为“功率-电压-电流”三环结构，系统的稳定性和动态性能在很大程度上由功率环参数决定，设计不当容易引起系统的不稳定，尤其是线路阻抗较小的情况下，系统稳定性会进一步恶化。
发明内容
本发明的目的是克服传统功率下垂控制方式在线路阻抗小的情况下无法使并联逆变器系统稳定工作的缺点，旨在提供一种能够在线路短、阻抗小的微电网中仍然维持系统稳定并达到良好负载功率均分效果的并联逆变器控制方法。微电网是指以太阳能、风能、燃料电池等新能源作为能量来源，通过电力电子装置和储能设备实现功率变换和灵活控制的新型电网。既可以在电网正常的情况下，与配电网连接并网运行(并网模式)；亦可以在电网出现故障时，及时与电网断开，单独为本地网络负载供电(孤岛模式)，以维持本地网络电压幅值频率稳定，保证负载可靠供电。本发明涉及的孤岛运行下微电网中两台并联运行的逆变器系统结构可简化为两台逆变器通过各自的连线阻抗连接到公共负载上。为此本发明提出一种基于虚拟阻抗的电压电流双环下垂控制方法，类比传统三环功率下垂控制方法，可将虚拟连线阻抗τ*(s)等效为下垂系数，将逆变器输出电流通过虚拟连线阻抗反馈到逆变器输出电压参考上，使两台逆变器在线路短、 阻抗小的微电网中，自动均分负载功率。根据上面的发明构思，本发明控制方法的步骤如下步骤1 采用同步旋转锁相环对逆变器并联系统中每台逆变器各自的输出电压^ 进行锁相，得到该逆变器输出电压的相位角ρ，将相位角ρ与逆变器输出电压参考幅值
合成逆变器输出电压参考信号 ζ = | / ζ^，经拉普拉斯变换，将时域的g转换为频域的
K(S)，其中s为复变参量；步骤2 电压电流双环下垂控制；在逆变器输出电流与逆变器参考电压信号间串入一个逆变器虚拟连线阻抗 Zvir(s)，使逆变器等效输出阻抗由原Z。n(s)变为Z'。n(s)，且Z'。n(s)随所加虚拟连线阻抗变化。类比传统三环功率下垂控制方法，将所述的逆变器虚拟连线阻抗ZviJs)等效为下垂系数，使逆变器输出电流通过虚拟连线阻抗ZviJs)反馈到逆变器输出电压参考上，以达到并联逆变器系统自动均分负载功率的目的。其过程为将逆变器输出电流i。(S)与虚拟阻抗ZviJs)做乘法，再在逆变器输出电压参考￠/:(力中减去此乘积，得到的差为带有负载功率自动调节功能的输出电压参考re/。步骤3 将上述带有负载功率自动调节功能的逆变器输出电压参考^/—㈣与逆变器输出电压Un(S)的反馈信号做差后，经过逆变器电压环的比例谐振控制器(PR)调节得到电流环参考信号4·⑷；将电流环参考信号4·⑷与电感电流反馈信号做差后，经过逆变器电流环的比例控制器(P)调节，得到所述逆变器的调制信号；步骤4 将步骤3得到的逆变器调制信号经拉普拉斯逆变换得到时域的调制信号， 与载波信号比较，得到逆变器需要的PWM信号。PWM信号驱动逆变器的功率开关管，最终得到所需的逆变器输出电压。本发明有益的效果是与有互联线方式相比，本发明具有更高的灵活性和冗余性，且稳定性更高。与传统三环功率下垂控制方式相比，本发明所提出的电压电流双环下垂控制方法不仅简化了控制系统，还尤其适用于线路短、阻抗小的微电网系统中的逆变器并联控制，同时具有稳定裕度大，动态性响应快，实现简单等特点。
图1是逆变器孤岛运行等效电路；图2是逆变器输出阻抗波特图；图3是带虚拟阻抗时的逆变器输出阻抗波特图；图4是加入虚拟阻抗、后的逆变器控制系统结构图；图5是电压电流双环下垂特性图；图6是带双环下垂控制器的并联逆变器单元结构图；图7是双闭环控制结构图；图8是当Lline = 7mH时，采用传统三环功率下垂控制的并联逆变器稳态运行波形；图9是当Lline = 7mH时，采用电压电流双环下垂控制的并联逆变器稳态运行波形；图10是当Lline = 3. 5及OmH时，采用电压电流双环下垂控制的并联逆变器稳态运行波形。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
进一步描述本发明。微电网中两台逆变器并联运行的等效电路图如图1所示。其中每台逆变器的输出阻抗Ζ。ηΖζ3。η (η=1,2)与连线阻抗Ζ。ηΖ^。η (η=1,2)之和为ΖηΖ% (η=1,2)。每台逆变器的输出电压分别为仏(n=l,2)，输出电流分别为I。n(n= 1，2)，两台逆变器间环流为Ih，公共耦合点处的电压为K。m Z队。m。采用本发明控制方法的步骤如下步骤1、逆变器输出电压参考给定信号生成采用同步旋转锁相环对逆变器并联系统中每台逆变器各自的输出电压巧进行锁相，得到该逆变器输出电压的相位角ρ，相位角ρ与逆变器输出电压参考幅值合成逆变器
输出电压参考信号 ζ = \Κ\Ζφ，经拉普拉斯变换，将时域的^；转换为频域的f/:(力，其中S为
复变参量。步骤2、电压电流双环下垂控制在逆变器输出电流与逆变器参考电压信号间串入一个逆变器虚拟连线阻抗 Zvir(s)，使逆变器等效输出阻抗由原Z。n(s)变为Z'。n(S)，且Z'。n(S)随所加逆变器虚拟连线阻抗变化。类比传统三环功率下垂控制方法，将所述的逆变器虚拟连线阻抗ZviJs)等效为下垂系数，使逆变器输出电流通过虚拟连线阻抗τ*(S)反馈到逆变器输出电压参考上， 以达到并联逆变器系统自动均分负载功率的目的。其过程为将逆变器输出电流i。(S)与虚拟阻抗ZviJs)做乘法，再在逆变器输出电压参考信号￠/:(力中减去此乘积，得到的差为带有负载功率自动调节功能的输出电压参考信号。电压电流双环下垂控制的原理如下三相电压源逆变器在PWM线性调制范围内可等效为一个增益为Kpwm的比例放大器，则其输出电压Un (t)与调制信号Um (t)间的关系可表示为K(t) = .Um(0 = Kfwu -um(t) (1)式中Ud。为DC总线直流电压；^i1为载波幅值；Kpwm的逆变器增益。调制信号Um (t)可以分成2部分um (t) =ur(t)-uf(t) (2)式中Ur(t)产生逆变器初始电压值；uf(t)与逆变器输出电流i。(t)成比例，可表示为uf(t) = kr · i。(t)(3)式中，uf(t)为逆变器调制信号中的扰动分量；i。(t)为逆变器输出电流屯为扰动分量反馈系数，通常等于逆变器连线阻抗与输出阻抗之和。将式⑶代入式O)，可得
权利要求
1.一种基于虚拟阻抗的微网逆变器电压电流双环下垂控制方法，其特征在于，所述控制方法的步骤如下步骤1 采用同步旋转锁相环对逆变器并联系统中每台逆变器各自的输出电压巧进行锁相，得到所述的逆变器输出电压的相位角0，将此相位角识与所述的逆变器输出电压参考幅值|巧|合成逆变器输出电压参考信号^ = I仏y^，经拉普拉斯变换，将时域的逆变器输出电压参考信号 ζ转换为频域的，其中S为复变参量；步骤2 在逆变器输出电流与逆变器参考电压信号间串入一个逆变器虚拟连线阻抗 Zvi ，使逆变器等效输出阻抗由原Z。n(s)变为Z'。n(s)，且Z'。n(s)随所加虚拟连线阻抗变化；将所述的逆变器虚拟连线阻抗Zvir (S)等效为下垂系数，使逆变器输出电流通过虚拟连线阻抗τ*(S)反馈到逆变器输出电压参考上，得到修正后的带有负载功率自动调节功能的逆变器输出电压参考信号re/，以达到并联逆变器系统自动均分负载功率的目的；步骤3 将所述带有负载功率自动调节功能的逆变器输出电压参考信号^/—㈣与逆变器输出电压Un(S)的反馈信号做差，并经过逆变器电压环的比例谐振控制器(PR)调节得到电流环参考信号‘⑷；将电流环参考信号‘⑷与电感电流反馈信号做差后，经过逆变器电流环的比例控制器(P)调节得到所述逆变器的调制信号；步骤4 将步骤3得到的逆变器调制信号经拉普拉斯逆变换得到时域的调制信号，与载波信号比较，得到逆变器需要的PWM信号。PWM信号驱动逆变器的功率开关管，最终得到所需的逆变器输出电压。
2.按照权利要求1所述的基于虚拟阻抗的微网逆变器电压电流双环下垂控制方法，其特征在于，所述的逆变器虚拟连线阻抗ZviJs)等效为下垂系数，将逆变器输出电流i。(s)与虚拟阻抗ZviJs)做乘法，再在逆变器输出电压参考信号￠/:(力中减去所述乘积，得到带有负载功率自动调节功能的输出电压参考信号，如下式所示
3.按照权利要求1所述的基于虚拟阻抗的微网逆变器电压电流双环下垂控制方法，其特征在于，所述的加入虚拟阻抗后的逆变器等效输出阻抗Z' on(s)由以下公式计算
全文摘要
一种基于虚拟阻抗的微网逆变器电压电流双环下垂控制方法。该方法类比三环功率下垂控制，在逆变器输出电流与逆变器参考电压信号间串入一个逆变器虚拟连线阻抗Zvir(s)，将所述的逆变器虚拟连线阻抗Zvir(s)等效为下垂系数，使逆变器输出电流通过虚拟连线阻抗反馈到逆变器输出电压参考给定上，达到并联逆变器系统自动均分负载功率的目的。本发明消除了传统三环功率下垂控制器对连线阻抗敏感、控制系统复杂的缺陷。使微电网中并行的分布式电源在线路短、阻抗小的情况下，依然能够实现良好的功率均分效果，提高了系统稳定裕度，保证了负载的供电质量。
文档编号H02J3/38GK102510120SQ201110376388
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者关雅娟, 杨子龙, 王一波, 许洪华 申请人:中国科学院电工研究所