一种逆变器并联运行优化控制方法与流程

本发明涉及电力电子装置控制领域，尤其涉及一种逆变器并联运行优化控制方法。
背景技术：
：逆变器是一种把直流电能(电池、蓄电瓶)转变成交流电(一般为220v,50hz正弦波)的变换器。在微网和ups并联冗余系统中，存在多台逆变器并联运行。并联逆变器并联运行的控制方法主要有：pq控制、恒压恒频控制和下垂控制，其中，下垂控制是通过模拟传统电力系统中同步发电机下垂外特性对逆变器实施控制的一种方法。如图1所示，并联逆变器系统中采用下垂控制的逆变器中电路结构的主电路为三相全桥电路，逆变器输出采用lc滤波器，外加连线电感lc用以确保等效线路阻抗成感性以减少传输有功功率和无功功率的耦合程度。逆变器的系统控制环路主要包括功率环控制和电压电流双环控制两部分。在功率环控制部分，首先对通过采样逆变器输出端的三相电压(voabc)和电流(ioabc)进行采样，进而计算出逆变器输出的有功功率p和无功功率q，将其代入p-f和q-v下垂方程，从而得到逆变器输出电压的参考频率和参考幅值，然后通过电压电流双环控制实现对逆变器输出电压的调节。为了弥补有功功率p和无功功率q之间存在的较强耦合，还引入了虚拟阻抗，通过算法模拟实际阻抗，从而灵活地改变并联逆变器系统线路的等效阻抗，进一步提高下垂控制效果。然而，由于逆变器自身特性的差异会造成多台逆变器并联运行时输出功率的差异随着频率和幅值下垂系数的增大而减小，但是随着下垂系数的增大，多台逆变器之间的电压偏差也会随之增大，引入虚拟阻抗使电压偏差更加突出，当电压偏差超过规定值时，将会使逆变器的控制效果变差，导致逆变器输出的电能质量下降，进而影响与逆变器连接的用户设备或电器的正常运行。技术实现要素：为克服相关技术中存在的问题，公开了如下技术方案：一种逆变器并联运行优化控制方法，包括：获取并联逆变器系统中每台逆变器的额定容量和并联逆变器系统总负荷功率因数角；根据所述额定容量和并联逆变器系统总负荷功率因数角为每台逆变器确定相应的虚拟阻抗；根据所述额定容量确定每台逆变器的下垂系数：根据所述下垂系数确定每台逆变器的相角；为每台逆变器设置相同的电压值，根据所述电压值、虚拟阻抗、相角以及逆变器输出电流确定指令电压；控制每台逆变器根据相应的指令电压输出有功功率和无功功率，其中，所述指令电压包括a相指令电压、b相指令电压和c相指令电压。可选地，所述根据所述额定容量和并联逆变器系统总负荷功率因数角为每台逆变器确定相应的虚拟阻抗包括：建立虚拟阻抗模型为根据所述并联逆变器系统总负荷功率因数角确定优化功率因数角δ0；计算满足与所述额定容量成反比、且的rv和xv；根据rv、xv和确定虚拟阻抗可选地，所述确定所述优化功率因数角包括：将获取的所述并联逆变器系统总负荷功率因数角平均分为多个区间；获取实际负荷功率因数角；确定所述实际负荷功率因数角所处的区间；获取所述实际负荷功率因数角所处区间的区间上限λ2和区间下限λ1；根据计算优化功率因数角δ0。可选地，所述确定所述优化功率因数角还包括：将获取的所述并联逆变器系统总负荷功率因数角平均分为多个区间，为每一个区间设置一个预设功率因数角；获取实际负荷功率因数角；确定所述实际负荷功率因数角所处的区间，所述实际负荷功率因数角所处区间的预设功率因数角即为优化功率因数角δ0。可选地，所述根据所述额定容量确定每台逆变器的下垂系数包括：将获取的每台逆变器的所述额定容量两两做比值，获得一组容量比值；将每台逆变器的下垂系数设为mi并两两做比值，获得一组系数比，其中，mi为第i个逆变器的下垂系数；满足对应逆变器的容量比值和系数比互为倒数的mi即为对应逆变器的下垂系数。可选地，所述根据所述下垂系数确定每台逆变器的相角包括：根据所述下垂系数计算逆变器频率；将所述逆变器频率积分并乘以2π，所得乘积为相应逆变器的相角。可选地，根据所述电压幅值、虚拟阻抗、相角以及逆变器输出电流确定指令电压包括：根据公式计算所述指令电压，其中，代表所述指令电压、代表所述电压幅值、代表所述虚拟阻抗、代表逆变器输出电流。本发明实施例提供的逆变器并联运行优化控制方法包括，获取并联逆变器系统中每台逆变器的额定容量和并联逆变器系统总负荷功率因数角；根据额定容量和并联逆变器系统总负荷功率因数角为每台逆变器确定相应的虚拟阻抗并根据额定容量确定每台逆变器的下垂系数，根据下垂系数确定每台逆变器的相角，随后为每台逆变器设置相同的电压值，根据所述电压值、虚拟阻抗、相角以及逆变器输出电流确定指令电压，然后控制每台所述逆变器根据相应的指令电压输出有功功率和无功功率。本发明实施例通过综合逆变器的额定容量和并联逆变器系统总负荷功率因数角来确定虚拟阻抗和下垂系数，使虚拟阻抗的虚部和实部之比满足功率因数角正切的相反数的同时满足虚拟阻抗的模与额定容量成反比，并通过令任意两个逆变器的下垂系数之比等于对应两个逆变器额定功率之比的倒数来确定下垂系数，可以实现逆变器有功功率和无功功率的合理分配，从而优化逆变器的控制效果，以此减小逆变器控制过程中造成的电压偏差、保证电能质量，保证用户设备或电器的正常运行。附图说明为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为现有技术中下垂控制的并联逆变器系统逆变器结构示意图；图2为并联逆变器的等效电路图；图3为虚拟阻抗导致的电压偏差示意图；图4为本发明实施例提供的逆变器并联运行优化控制方法的流程图；图5为本发明实施例提供的确定虚拟阻抗的方法流程示意图；图6为本发明实施例提供的一种确定优化功率因数角的方法流程示意图；图7为本发明实施例提供的另一种确定优化功率因数角的方法流程示意图；图8为本发明实施例提供的确定下垂系数的方法流程示意图；图9为本发明实施例提供的并联逆变器系统仿真模型示意图图10为采用本发明实施时的有功功率示意图；图11为采用本发明实施时的无功功率示意图；图12为采用现有技术时的有功功率示意图；图13为采用现有技术时的无功功率示意图。具体实施方式为了使本
技术领域：
的人员更好地理解本发明中的技术方案，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进行清楚、完整地描述，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。参见图2为并联逆变器的等效电路图，如图2所示，e和分别为参考电压有效值和功角；z和θ分别为线路阻抗的模和阻抗角；r和x分别为线路电阻和感抗；vb为交流母线电压有效值。由此可得逆变器注入并联逆变器系统的有功功率为：无功功率为：假设引入的虚拟阻抗为利用功率坐标变换可以得到虚拟有功功率为：虚拟无功功率为：其中，由公式(3)可知，虚拟有功功率pd主要取决于频率，所以对虚拟有功功率进行下垂控制如公式(5)所示：f＝f*-m(pd-pd*)(5)其中，pd*为额定虚拟有功功率，可由逆变器的额定有功功率经左边变换得到。虚拟无功功率主要取决于电压幅值，本发明实施例通过固定逆变器的电压值e配置虚拟阻抗的大小来实现qd的调节。pd和下垂系数成反比，qd和虚拟阻抗的大小成反比(对共母线并联逆变器系统而言)，由于控制目标为逆变器的实际有功功率p和无功功率q，因此需要实现p和q的合理分配。对公式(3)和(4)进行逆变换可得：p＝pdsinθv+qdcosθv(6)q＝pdsinθv-qdsinθv(7)根据公式(6)和(7)可知，任意两个编号为i和j且额定容量分别为si和sj的逆变器，他们的p、q之比分别为：由公式(8)和(9)可知，若虚拟有功功率满足：则，根据等比定理可得：通过公式(10)和(11)可知，要实现逆变器有功功率和无功功率的合理分配，只需控制逆变器的虚拟功率pd和qd按逆变器的额定容量比例分配即可，为实现这一目标，只需按照逆变器额定容量的反比选择虚拟有功功率下垂系数m和虚拟阻抗参见图3，为虚拟阻抗导致的电压偏差示意图，由于引入虚拟阻抗会导致电压偏差，且虚拟阻抗取值越大，电源偏差也越大，现分析如下：假设引入的虚拟阻抗为逆变器输出电压和电流分别为和根据电路理论，虚拟阻抗造成的电压偏差如图3所示，由图3可知，电压偏差主要包括纵分量δv和横分量δv，其大小为：由图3可知，电压偏差主要取决于纵分量δv，由公式(12)可知，纵分量δv的大小和虚拟阻抗有关，如果虚拟阻抗满足下式，就可以是电压偏差的纵分量δv为零(在下式的推导过程中，考虑到逆变器实现了按其额定容量的比例分担了有功功率负载和无功功率负载)，其中，s为该逆变器的额定容量，sσ为并联逆变器系统中所有逆变器额定容量之和，pσ和qσ分别为并联逆变器系统总有功功率及总无功功率之和，δ为并联逆变器系统总负荷的功率因数角，对于并联逆变器系统负荷功率因数角变动时的情况，假设按照功率因数角δ0去虚拟阻抗，将δ0带入公式(14)得：prv+qxv＝(scosδ0)rv+(ssinδ0)xv＝0(15)由于实际负荷功率因数角是变动的，并非总是保持在δ0，因此需要对负荷功率因数变化时上述处理过程造成的误差进行分析，假设复合功率因数角在δ0的基础上变化了δδ，带入公式(12)可得：结合公式(15)和(16)进行化简可得：有公式(17)可知，电压偏差主要取决于功率因数角的波动范围，功率因数角的波动范围越小，电压偏差越小。因此，只需要选取合适的功率因数角δ0就可以减小电压偏差。综上所述，本发明实施例提供了一种逆变器优化控制方法，参见图4，为本发明实施例提供的逆变器并联运行优化控制方法的流程图，由图4所示，本发明实施例包括：s10：获取并联逆变器系统中每台逆变器的额定容量和并联逆变器系统总负荷功率因数角。通过采集并联逆变器系统中每台逆变器的额定容量和并联逆变器系统总负荷功率因数角保证了基础数据良好的匹配性，防止因为选用其他逆变器的额定容量或一般逆变器额定容量的平均值而导致选择的基础数据不能满足待控制并联逆变器系统的实际运行情况而造成更严重的影响。s20：根据所述额定容量和并联逆变器系统总负荷功率因数角为每台逆变器确定相应的虚拟阻抗。由上述分析可知，并联逆变器系统中影响逆变器控制效果的主要因素是因为不能合理的选取虚拟阻抗，从而造成电压偏差在横、纵分量上的分配不合理，加重电压偏差的程度，通过对采集到的并联逆变器系统中的基础数据进行分析、确定合理的虚拟阻抗能有有效的提高控制器的控制效果。s30：根据所述额定容量确定每台逆变器的下垂系数。由上述分析和公式(5)可知，虚拟有功功率主要取决于逆变器频率，在额定虚拟有功以及频率确定的情况下，只有选择合适的下垂系数才能保证虚拟有功功率占总功率的比值。s40：根据所述下垂系数确定每台逆变器的相角。s50：为每台逆变器设置相同的电压值，根据所述电压值、虚拟阻抗、相角以及逆变器输出电流确定指令电压。s60：控制每台所述逆变器根据相应的指令电压输出有功功率和无功功率，其中，所述指令电压包括a相指令电压、b相指令电压和c相指令电压。对于三相并联逆变器系统中使用的均为，为了进一步保证逆变器的控制效果需要对每一相电压进行控制，使每相电压的指令电压均是在相对应的各相电压基础上确定的，从而可以确保为每相电压确定的指令电压最适合该相电压的运行。其中，对于步骤s20，优选的，参见图5，为本发明实施例提供的确定虚拟阻抗的方法流程示意图，如图5所示，根据所述额定容量和并联逆变器系统总负荷功率因数角为每台逆变器确定相应的虚拟阻抗包括：s201：建立虚拟阻抗模型为s202：根据所述并联逆变器系统总负荷功率因数角确定优化功率因数角δ0。s203：计算满足与所述额定容量成反比、且的rv和xv。s204：根据rv、xv和确定虚拟阻抗具体的，对于步骤s202由前文可知，为了减少虚拟阻抗引起的电压偏差需要选取合适的δ0，参见图6，为本发明实施例提供的一种确定优化功率因数角的方法流程示意图，如图6所示，本发明提供的确定优化功率因数角δ0的方法包括：s2021：将获取的所述并联逆变器系统总负荷功率因数角平均分为多个区间。s2022：获取实际负荷功率因数角。s2023：确定所述实际负荷功率因数角所处的区间。s2024：获取所述实际负荷功率因数角所处区间的区间上限λ2和区间下限λ1。s2025：根据计算优化功率因数角δ0。对于步骤s2021-s2024提供的确定优化功率因数角的方法仅是本发明实施例提供的一种确定方法，参见图7，本发明还提供了另一种确定优化功率因数角δ0的方法，包括：s2026：将获取的所述并联逆变器系统总负荷功率因数角平均分为多个区间，为每一个区间设置一个预设功率因数角。s2027：获取实际负荷功率因数角。s2028：确定所述实际负荷功率因数角所处的区间，所述实际负荷功率因数角所处区间的预设功率因数角即为优化功率因数角δ0。为了更好的理解本发明提供的确定下垂系数的方法，在本发明实施例中举例说明，例如，假设并联逆变器系统负荷功率因数波动区间为[0.7,0.9]，虚拟阻抗模型为对于确定优化功率因数角δ0的方法，则根据公式计算得到δ0＝0.644，进一步的可得则只要可以满足且保证与额定容量成反比，则可以确定虚拟阻抗。具体的，对于步骤s30，参见图8，为本发明实施例提供的确定下垂系数的方法流程示意图，如图8所示，本发明提供的确定下垂系数的方法包括：s301：将获取的每台逆变器的所述额定容量两两做比值，获得一组容量比值；s302：将每台逆变器的下垂系数设为mi并两两做比值，获得一组系数比，其中，mi为第i个逆变器的下垂系数；s303：满足对应逆变器的容量比值和系数比互为倒数的mi即为对应逆变器的下垂系数。为了更好的理解本发明提供的确定下垂系数的方法，在本发明实施例中举例说明，例如，假设并联逆变器系统中仅有两个编号分别为1、2的逆变器，且这两个逆变器的额定容量之比为1:2，即将编号为1的逆变器的下垂系数记为m1，编号为2的逆变器的下垂系数记为m2，将两个逆变器的下垂系数做比值就可以得到由前文可知，为使逆变器的有功功率无功功率实现合理分配，逆变器的下垂系数须与额定容量成，反比，因此需要令此时可以满足的m1和m2就分别为编号为1和2的两个逆变器的下垂系数，需要说明的是m1和m2的取值范围需在现有技术中的下垂系数取值范围内，即下垂系数数量级不变，只需满足比值为额定容量的倒数。对于步骤s40-s60，在得到逆变器的下垂系数后，根据公式(5)计算得到逆变器的频率，将逆变器频率积分并乘以2π，所得乘积为相应逆变器的相角，然后利用公式计算指令电压，控制每台所述逆变器根据相应的指令电压输出有功功率和无功功率，从而实现对逆变器的优化控制。需要说明的，在计算指令电压是需要根据a相、b相以及c相对应的电压和逆变器输出电流计算。参见图9，本发明实施例提供的并联逆变器系统仿真模型示意图，下面结合仿真数据对本发明提供的逆变器优化控制方法的有益效果进行分析。利用matlab搭建线电压为380v的并联逆变器系统仿真模型，该并联逆变器系统含有两个三相三桥臂逆变器dg1和dg2，其中，dg1和dg2的额定容量之比为1:2，并带两个线性负荷，zld1＝zld2＝18.84+j9.42(电抗为工频时的值，单位为ω)，如图9所示，其中，线路阻抗为zl1＝zl2＝0.1+j0.1，逆变器的额定输出相电压为220v。仿真内容包括：(1)、本发明确定的虚拟阻抗与现有技术确定的虚拟阻抗的对比仿真；(2)、功率因数波动时本发明与现有技术的控制效果对比。本发明确定的虚拟阻抗与现有技术确定的虚拟阻抗的对比仿真：因为dg1和dg2的额定容量之比为1:2，根据本发明，按照逆变器额定容量的反比选择有功功率下垂系数，按照逆变器额定容量的反比选择虚拟阻抗并使其满足公式(14)，为了防止会存在多种因素的影响，现有技术中下垂系数也按照逆变器额定容量的反比选择，两种方法确定的虚拟阻抗幅值相等，但现有技术选择的虚拟阻抗不满足公式(14)，具体取值如下表1：表1参见图10，为采用本发明实施时的有功功率示意图；图11，为采用本发明实施时的无功功率示意图；图12为采用现有技术时的有功功率示意图；图13为采用现有技术时的无功功率示意图，综合图10、图11、图12和图13可以看出，根据表1的取值，采用本发明和现有技术均可以实现有功功率和无功功率的合理分配，因此需要进一步分析两种方法下输出电压的标幺值，参见表2，为两种方法下输出电压的标幺值：表2由表2可以看出，采用本发明虽然引入了较高大的虚拟阻抗，但逆变器的电压幅值偏差很小，而且负荷增加后电压偏差增加的幅度也很小；而采用现有技术，引入同样模值的虚拟阻抗，导致了较大的电压偏差，而且0.2s复合增加之后，电压偏差明显增加。功率因数波动时本发明与现有技术的控制效果对比如下：假设并联逆变器系统负荷波动区间为[0.7,0.9]，则根据公式计算得到δ0＝0.644，其他参数设置如表3：表3dg编号下垂系数m虚拟阻抗dg14×10-51.256-j1.6746dg22×10-50.628-j0.8371逆变器保持表3所示的参数不变，线性复合功率因数在[0.7,0.9]之间变动，在负荷功率因数变动过程中，线性负荷zld1和zld2的模值均保持为21.0638ω。对上述参数进行仿真，得到不同负荷功率因数下逆变器的输出电压值，如表4所示：表4由表4可知，采用本发明虽然虚拟阻抗是一定的功率因数得到的固定值，但负荷功率因数在一定区间内波动时，逆变器输出电压的偏差仍然很小，相比于额定值220，电压最大偏差为1.7％，远小于国标规定值。本发明实施例提供的逆变器优化控制方法包括，本发明实施例通过综合逆变器的额定容量和并联逆变器系统总负荷功率因数角来确定虚拟阻抗和下垂系数，使虚拟阻抗的虚部和实部之比满足功率因数角正切的相反数的同时满足虚拟阻抗的模与额定容量成反比，并令任意两个逆变器的下垂系数之比等于对应两个逆变器额定功率之比的倒数来确定下垂系数，可以实现逆变器有功功率和无功功率的合理分配，从而优化逆变器的控制效果，以此减小逆变器控制过程中造成的电压偏差、保证电能质量，保证用户设备或电器的正常运行。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。当前第1页12