组合式三相逆变电路并联运行控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种组合式三相逆变电路并联运行控制方法，采样逆变器输出三相电压和电流信号，经平均功率计算模块处理分别得到逆变器输出平均有功功率和无功功率；将逆变器的功率信息导入改进下垂控制器中，得到逆变器输出三相电压的参考信号，该参考信号与逆变器输出相电压比较相减后输出电压误差，该误差信号经电压调节器调节输出电流参考信号，该参考信号与逆变器输出电流相减后输出电流误差，该误差信号经电流控制器处理并输出调制信号再经调制模块处理最终输出开关控制信号。本发明方法解决了三相不平衡负载下逆变器输出电压的对称性问题。
【专利说明】组合式三相逆变电路并联运行控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电网离网模式下分布式电源发电【技术领域】，涉及一种组合式三相逆变电路并联运行控制方法。
【背景技术】
[0002]在能源紧缺和环境日益恶化的今天，基于分布式发电构成的微电网系统越来越受到关注。由于其突出的特点使其成为国家节能减排、可持续发展战略规划的目标之一。微电网中的电源多为微电源，即含有电力电子接口逆变并网的小型机组，它包括燃气轮机、燃料电池、光伏电池、风力发电以及超级电容、蓄电池等储能装置。它们接在用户侧，具有低成本、低电压、低污染等特点。微电网既可与大电网联网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开单独进行离网运行。
[0003]微电网离网运行时，多种基于逆变器的微电源控制器并联运行，各微电源采用下垂特性控制，实现分布式电源对负荷功率的共享。下垂控制是基于对等控制思想的一种逆变器控制方式，即各逆变器仅根据本地信息实现负荷均分，并可以抑制环流产生，控制简单，逆变器之间无需通信。
[0004]目前下垂控制基本是针对三相平衡负载或单相负载进行研究的，然而在低压微网下，公共交流母线采用三相四线制，负载时常存在不平衡情况。当采用常规的下垂控制，且三个单相之间独立控制，如果三相负载不平衡，那么该控制方法下，三个单相逆变器输出的电压参考信号频率和幅值就会产生偏差，这种偏差最终导致负载上三相电压幅值和相位均不对称。
[0005]基于下垂控制的三相四线制多逆变器并联运行中，如何控制三相不平衡负载下逆变器输出电压的对称性是个难点，因此采用合适的拓扑电路以及设计合理的控制方法是很有必要的。基于此，提出了采用组合式三相逆变拓扑电路以及改进的逆变并联下垂控制方法。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种组合式三相逆变电路并联运行控制方法，解决了现有技术在微电网离网运行模式下，当三相负载不平衡时，不能保证逆变器输出三相电压对称性的问题。
[0007]本发明所采用的技术方案是，一种组合式三相逆变电路并联运行控制方法，其控制过程是:
[0008]首先，采样逆变器输出三相电压Ux和电流信号ix，经过平均功率计算模块的计算处理，分别得到逆变器输出平均有功功率Px和无功功率Qx，X分别是a、b和c ;
[0009]然后，将逆变器的功率信息Px和Qx导入改进下垂控制器中，从而得到逆变器输出三相电压的参考信号uMfx,该参考信号Urafx与逆变器输出相电压Ux比较相减后输出电压误差Aux，该误差信号Aux经电压调节器进行调节，输出电流参考信号Ufx，该参考信号iMfx与逆变器输出电流ix比较相减后输出电流误差Aix，该误差信号Aix经电流控制器处理并输出调制信号，该调制信号经调制模块处理最终输出开关控制信号。
[0010]本发明的有益效果是，针对组合式三相逆变电路结构，采用改进的下垂控制外环配合电压电流内环，既保证了低压微网中三相不平衡负载下各相逆变器输出电压的对称性，又实现了多台三相逆变器并联时负荷功率自动均分。应用到低压微电网中保证微网内单相负荷或三相不平衡负荷均可以正常工作，使得微电网离网时能够稳定运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明方法所依赖的组合式三相逆变电路框图；
[0012]图2是本发明方法的控制原理框图；
[0013]图3是本发明方法在改进的下垂控制原理中，各相频率-有功功率下垂控制示意图；
[0014]图4是本发明方法在改进的下垂控制原理中，各相电压幅值-无功功率下垂控制示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0016]组合式三相逆变电路是三相逆变电路的典型结构形式，其结构形式可简单等效为三个单相全桥逆变器并联，每个单相之间相互独立，具有控制简单、可以接不平衡负载等优点。
[0017]本发明采用组合式三相逆变电路，提出一种经过改进的下垂控制方法，采用组合式三相逆变电路作为主电路进行单机或者多机带三相负载运行，每台组合式三相逆变器的控制方式采用下垂控制外环、电压-电流控制内环的三环控制方式，控制过程的原理是:
[0018]根据组合式三相逆变器各相输出的功率判断出最大负荷相，该相下垂控制采用固定下垂系数，其他两相根据最大负荷相输出的电压和频率作为自身输出电压和频率，进而实时调整各相的下垂系数；其他两相在调节后的下垂系数下，依据下垂原理来改变各相输出有功和无功功率，使得其他两相的电压幅值和频率与最大负荷相频率、幅值保持一致，实现逆变器输出三相电压的对称。
[0019]采用上述的下垂控制方式，不论各相负荷是否平衡，都可以实现逆变器输出三相电压严格对称，并且可以保证各相逆变器输出功率不会超出逆变器额定容量。此外当多台这种组合式三相逆变器电源并联运行，若采用这种下垂控制还可以实现负荷功率按照逆变器容量自动均分。
[0020]电压环可采用常规的比例积分控制、比例谐振(PR)控制或重复控制，电流环可采用比例控制。
[0021]图1是本发明方法所依赖的组合式三相逆变电路框图，图1中，U、V、W、N分别表示三相四线输出方式的输出线，N为中线出表示直流侧电压；LX与Cx (X为a、b、c)对应组成滤波器；Xx (x为a、b、c、N)表示逆变器与公共母线之间的阻抗；Sal?Sa4四个开关组成a相全桥逆变器电路，Sbl?Sb4四个开关组成b相全桥逆变器电路，Scl?Sc4四个开关组成c相全桥逆变器电路，总共是三个单相全桥逆变器电路；[0022]上述的三个单相全桥逆变器电路并联，三个单相全桥逆变器电路输入端(左端)均与直流侧连接，直流侧可以是光伏阵列、风力发电等直流电源，三个单相全桥逆变器电路输出端(右端)各自经Lx和Cx (x=a、b、c)组成的滤波电路后再经变压器按照三相四线输出，各相经Xx(x=a、b、c、N)线路阻抗后与低压三相四线制电网连接；各单相负载或三相负载接至公共交流母线上，负载呈阻性、感性、容性或者非线性负载等方式。
[0023]图2对应本发明方法的全部步骤，“改进下垂控制器”仅是图2中整个控制方式的一部分，但只有改进下垂控制部分属于本发明的核心，本发明方法整个控制过程的前半部分仅是图2中控制过程中改进下垂控制器的控制方式，上述过程后半部分对于电压环、电流环，只介绍了几种具体控制方法，也是常用的基本方法，但也必不可少，属于本发明所针对的逆变器拓扑的配套控制部分。
[0024]参照图2，是本发明方法的整体控制框图，该控制方式为一个三环控制结构，其控制过程是:
[0025]首先，采样逆变器输出三相电压Ux(X分别是a、b、c)和电流信号ix (x分别是a、b、c)，经过平均功率计算模块的计算处理，分别得到逆变器输出平均有功功率Px (X分别是
a、b、c)和无功功率Qx (X分别是a、b、c);
[0026]然后，将逆变器的功率信息(Px和Qx)导入本发明的改进下垂控制器中，从而得到逆变器输出三相电压的参考信号uMfx，该参考信号Urefx与逆变器输出相电压Ux比较相减后输出电压误差Aux，该误差信号Aux经电压调节器进行调节，输出电流参考信号iMfx，该参考信号iMfx与逆变器输出电流ix比较相减后输出电流误差Λ ix，该误差信号Λ ix经电流控制器处理并输出调制信号，该调制信号经调制模块处理最终输出开关控制信号。
[0027]平均功率计算模块:预置有功率计算方法，采用采样电压和电流相乘再经低通滤波的方法计算逆变器输出平均功率，或采用瞬时功率积分求平均功率。
[0028]电压调节器:采用单独的纯比例(P)控制器、比例积分(PI)控制器、比例谐振(PR)控制器、准比例谐振控制器或重复控制器之一，或者其中几种控制器的组合方式。
[0029]电流控制器:采用纯比例控制方式。
[0030]调制模块:采用正弦脉宽调制(SPWM)或其他调制方式。
[0031]参照图3、图4，是本发明提出的改进下垂控制器的控制原理示意图。图3、图4中，fx (x为a、b、c)分别为逆变器各相输出相电压的频率；&为逆变器各相空载频率；fmin为逆变器各相允许输出的最低频率；PX (x为a、b、c)分别为逆变器各相输出功率；Pmax为逆变器各相允许输出的最大功率；字母A、B、C分别表示逆变器各相某一时刻工作点，A'、B'为逆变器a、b两相另外一时刻的工作点；M为逆变器各相空载运行点#为逆变器各相最大功率允许点；
[0032]以配电线呈纯感性的下垂控制为例，即逆变器输出有功对应输出电压频率，无功对应输出电压幅值。若采用传统下垂控制方式，即各相频率-有功功率下垂控制均按照图3中11所示的下垂曲线进行控制，其控制方程如式(I):
【权利要求】
1.一种组合式三相逆变电路并联运行控制方法，其特征在于，其控制过程是: 首先，采样逆变器输出三相电压Ux和电流信号ix，经过平均功率计算模块的计算处理，分别得到逆变器输出平均有功功率Px和无功功率Qx，X分别是a、b和c ; 然后，将逆变器的功率信息Px和Qx导入改进下垂控制器中，从而得到逆变器输出三相电压的参考信号uMfx,该参考信号Urafx与逆变器输出相电压Ux比较相减后输出电压误差Aux,该误差信号△ ux经电压调节器进行调节，输出电流参考信号iMfx，该参考信号iMfx与逆变器输出电流ix比较相减后输出电流误差Aix，该误差信号Aix经电流控制器处理并输出调制信号，该调制信号经调制模块处理最终输出开关控制信号。
2.根据权利要求1所述的组合式三相逆变电路并联运行控制方法，其特征在于，所述的改进下垂控制器的结构是: U、V、W、N分别表示三相四线输出方式的输出线，N为中线；E表示直流侧电压；LX与Cx对应组成滤波器；Xx表示逆变器与公共母线之间的阻抗；Sal~Sa4四个开关组成a相全桥逆变器电路，Sbl~Sb4四个开关组成b相全桥逆变器电路，Scl~Sc4四个开关组成c相全桥逆变器电路，总共是三个单相全桥逆变器电路；x为a、b、c或N ; 上述的三个单相全桥逆变器电路并联，三个单相全桥逆变器电路输入端均与直流侧连接，三个单相全桥逆变器电路输出端各自经Lx和Cx组成的滤波电路后再经变压器按照三相四线输出，各相经Xx线路阻抗后与低压三相四线制电网连接；各单相负载或三相负载接至公共交流母线上，负载呈阻性、感性、容性或者非线性负载等方式。
3.根据权利要求1所述的组合式三相逆变电路并联运行控制方法，其特征在于:所述的平均功率计算模块:预置有功率计算方法，采用采样电压和电流相乘再经低通滤波的方法计算逆变器输出平均功率，或采用瞬时功率积分求平均功率； 电压调节器:采用单独的纯比例控制器、比例积分控制器、比例谐振控制器、准比例谐振控制器或重复控制器之一，或者其中几种控制器的组合方式； 电流控制器:采用纯比例控制方式； 调制模块:采用正弦脉宽调制或其他调制方式。
4.根据权利要求1所述的组合式三相逆变电路并联运行控制方法，其特征在于，所述的改进下垂控制器的控制过程是: 比较三相功率Pa、Pb、Pc，求最大负荷功率相，假设当前Pa < Pb < P。，根据式(3)求出当前最大负荷功率相C相输出频率f。，并令其它两相的输出频率等于f。，即fa = fb = f。，进一步根据式(3)求出a、b两相的下垂系数队和mb，
【文档编号】H02J3/06GK103904654SQ201410086865
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2014年3月11日
【发明者】任碧莹, 白恒, 孙向东, 张琦, 安少亮 申请人:西安理工大学