一种均流控制方法及装置与流程

本发明属于逆变器并联技术领域，涉及一种均流控制方法及装置。

背景技术：

逆变器并联运行可实现大容量供电和冗余供电的一种有效方法，是当今逆变技术发展的重要方向之一。多台逆变器并联实现扩容可大大提高系统的灵活性，使电源系统的体积、重量大为降低，同时其主开关器件的电流应力也可大大减少，从根本上提高可靠性、降低成本和提高功率密度。当各逆变电源的输出电压幅值相等、频率相等和相位一致时电压差为零，并联工作为最理想状态。但是，在实际的逆变电源并联系统中，由于电路参数的差异和负载的经常的变化或由于控制的固有特性问题，各个逆变电源之间的输出电压的瞬时值往往不可能完全相等，这样，势必存在一定的电压逆差，从而在系统内部形成环流，而环流对于各逆变电源的功率器件以及输出滤波器有一定的破坏影响。因而，在逆变电源并联运行系统中，必须分析和解决电压同步与均流控制问题。

目前，解决逆变器并联时的均流问题有很多方法，pq下垂控制法是其中的一种，例如参考文献1(“基于下垂特性控制的无互联线逆变器并联的均流分析”，张尧，马皓，雷彪，何湘宁，中国电机工程学报，2006年12月，第26卷第25期)公开了pq下垂控制的控制方程为：

ωn＝ω^*-kpwpn+kqwqn

un＝u^*-kpupn-kquqn

其中，ωn为逆变器的实际输出频率，ω^*为给定的目标频率，un为逆变器的实际输出电压，u^*为给定的目标电压，pn为逆变器的输出有功功率，qn为逆变器的输出无功功率，kpu、kqu、kpw和kqw均为常数。

pq下垂控制法可以实现并联的逆变器之间的均流，但是下垂控制策略实现均流是以牺牲逆变器输出电压大小为代价的。在稳态时，负载越大，电压下降越大，使逆变器的输出外特性变软。

技术实现要素：

本发明提出一种均流控制方法及装置，解决了现有技术中多台逆变器并联时，采用pq下垂控制法进行均流控制时，逆变器输出电压下降大的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：包括

s101：获得单个逆变器的运行数据，

s102：根据单个逆变器的运行数据，得到下垂控制分量uref1，

s103：根据单个逆变器的运行数据，得到补偿控制分量uref2，补偿控制分量uref2与下垂控制分量uref1的计算方法一致，

s104：将下垂控制分量uref1和补偿控制分量uref2叠加到基准电压指令uref0中，得到单个逆变器电压外环控制的参考电压指令uref^*，具体为：

uref^*＝uref0-uref1+uref2

s105：根据参考电压指令uref^*，进行电压外环、电流内环控制。

进一步，所述单个逆变器的运行数据包括电压un，电流in和频率ωn。

进一步，所述基准电压指令uref0包括基准电压d轴指令udref0和基准电压q轴指令uqef0，

所述下垂控制分量uref1包括下垂控制d轴分量udref1和下垂控制q轴分量uqref1，下垂控制d轴分量udref1和下垂控制q轴分量uqref1均为下垂控制分量uref1在dq坐标系下分解得到，

所述补偿控制分量uref2包括补偿控制d轴分量udref2和补偿控制q轴分量uqref2，补偿控制d轴分量udref2和补偿控制q轴分量uqref2均为补偿控制分量uref2在dq坐标系下分解得到。

所述参考电压指令uref^*包括参考电压d轴指令udref^*和参考电压q轴指令uqref^*，udref^*和uqref^*的计算公式为：

udref^*＝udref0-udref1+udref2

uqref^*＝uqref0-uqref1+uqref2

进一步，所述下垂控制d轴分量udref1和下垂控制q轴分量uqref1均由输出电流下垂控制得到，具体为：

udref1＝m1*id-m2*iq

uqref1＝m3*id+m4*iq

其中，id和iq均为电流in在dq坐标系中分解得到。

进一步，所述补偿控制d轴分量udref2和补偿控制q轴分量uqref2均由平均电流下垂控制得到，具体为：

udref2＝n1*idavg-n2*iqavg

uqref2＝n3*idavg+n4*iqavg

其中，idavg为并联的多个逆变器的id取平均值得到，iqavg为并联的多个逆变器的iq取平均值得到。

进一步，还包括

s106：获得误差电流下垂控制d分量udref3和误差电流下垂控制q轴分量uqref3，具体为：

udref3＝p1*(id-idavg)-p2*(iq-iqavg)

uqref3＝p3*(id-idavg)+p4*(iq-iqavg)

s107：将udref3叠加到udref0中得到最终的udref^*，同时将uqref3叠加到uqef0中得到最终的uqref^*，具体为：

udref^*＝udref0-udref1+udref2-udref3

uqref^*＝uqref0-uqref1+uqref2-uqref3

本发明还提出了一种均流控制装置，包括

第一采样单元，用于采样单个逆变器的运行数据，包括电压un，电流in和频率ωn，

第一计算单元，用于对电流in在dq坐标系中分解得到id和iq，

第二获得单元，用于获得多个逆变器的id和iq，并根据多个逆变器的id和iq计算idavg和iqavg，

第二计算单元，用于根据单个逆变器的id和iq计算下垂控制d轴分量udref1和下垂控制q轴分量uqref1，

第三计算单元，用于多个逆变器的idavg和iqavg计算补偿控制d轴分量udref2和补偿控制q轴分量uqref2，

第四计算单元，用于根据基准电压指令uref0、下垂控制d分量uref1、下垂控制q轴分量uqref1、补偿控制d轴分量udref2和补偿控制q轴分量uqref2，计算单个逆变器电压外环控制的参考电压d轴指令udref^*和参考电压q轴指令uqref^*。

进一步，还包括第一获得单元，用于获得单个逆变器输出电压指令，并根据单个逆变器输出电压指令计算电压外环控制的基准电压指令uref0，具体为：当多个并联的逆变器并网运行时，所述第一获得单元采样电网电压，并根据电网电压计算电压外环控制的基准电压指令uref0，当多个并联的逆变器离网运行时，所述第一获得单元读取用户输入的交流电压指令，并根据交流电压指令计算电压外环控制的基准电压指令uref0，

进一步，所述第四计算单元具体用于：对基准电压指令uref0在dq坐标系中进行分解，得到基准电压d轴指令udref0和基准电压q轴指令uqef0，并将udref1和udref2叠加到udref0中得到udref^*，同时将uqref1和uqref2叠加到uqef0中得到uqref^*。

进一步，还包括第五计算单元，用于根据id、iq、idavg和iqavg计算误差电流下垂控制d分量udref3和误差电流下垂控制q轴分量uqref3，

第四计算单元还用于将udref3叠加到udref0中得到最终的udref^*，并将uqref3叠加到uqef0中得到最终的uqref^*。

本发明的工作原理为：

如图1所示，为电压外环控制和电流内环控制原理框图，本发明在基准电压指令uref0的基础上叠加下垂控制分量uref1和补偿控制分量uref2，得到最终的电压指令uref^*，再用uref^*进行电压外环和电流内环的控制。其中下垂控制分量的叠加有利于实现并联的逆变器之间的均流控制，补偿控制分量的叠加用于补偿下垂控制分量引起的逆变器电压的下降。

现有技术中pq下垂法进行交流均流控制的方程为：

ωn＝ω^*-kpwpn+kqwqn(1)

un＝u^*-kpupn-kquqn(2)

其中，ωn为逆变器的实际输出频率，ω^*为给定的目标频率，un为逆变器的实际输出电压，u^*为给定的目标电压，pn为逆变器的输出有功功率，qn为逆变器的输出无功功率，kpu、kqu、kpw和kqw均为常数。

同时，有功功率pn、无功功率qn、有功电流id和无功电流iq之间的关系式为：

pn＝udid+uqiq(3)

qn＝uqid-udiq(3)

将(3)式带入(2)式得到

un＝u^*-kpu(udid+uqiq)-kqu(uqid-udiq)

＝u^*-(kpuudid-kquudiq)-kpuuqiq-kquuqid(4)

将(3)式带入(1)式得到

ωn＝ω^*-kpw(udid+uqiq)+kqw(uqid-udiq)

＝ω^*-(kpwudid+kqwudiq)-kpwuqiq+kqwuqid(5)

在实际应用中，uq很小，可以忽略，因此将(4)和(5)中的uq＝0，得到

un＝u^*-(kpuudid-kquudiq)(6)

ωn＝ω^*-(kpwudid+kqwudiq)(7)

本发明在进行电压外环控制和电流内环控制时采用d轴和q轴分别控制，首先将基准电压指令uref0在dq坐标系中进行分解，得到基准电压d轴指令udref0和基准电压q轴指令uqef0，然后将式(6)和式(7)的对应关系分别叠加到udref0和uqef0中，得到

udref^*＝udref0-(kpuudid-kquudiq)

uqref^*＝uqref0-(kpwudid+kqwudiq)

这里把kpuud、kquud、kpwud、和kqwud均看作系数，其中，kpu、kqu、kpw和kqw均为常数，在实际调试过程中可以得到，ud为公共的因数，可以约掉，再把kpu记为m1，kqu记为m2，kpw记为m3，kqw记为m4，即可得到

udref^*＝udref0-(m1*id-m2*iq)

uqref^*＝uqref0-(m3*id+m4*iq)

同理，将补偿控制d轴分量udref2和补偿控制q轴分量uqref2分别叠加到udref^*和uqref^*中得到

udref^*＝udref0-(m1*id-m2*iq)+(n1*idavg-n2*iqavg)(8)

uqref^*＝uqref0-(m3*id+m4*iq)+(n3*idavg+n4*iqavg)(8)

以式(8)得到的udref^*和uqref^*为给定值，进行电压外环和电流内环的控制。

本发明的有益效果为：

1、本发明在电压外环控制和电流内环控制的基础上，在基准电压指令uref0中叠加下垂控制分量uref1，实现并联的逆变器之间的均流控制，同时，在基准电压指令uref0中叠加补偿控制分量uref2，补偿控制分量uref2的叠加方向与下垂控制分量uref2的叠加方向相反，可以对下垂控制分量uref1带来的电压下降进行补偿。这样，在保证均流效果的同时，减小了电压的下降。

2、本发明在进行参考电压指令uref^*的计算时采用d轴和q轴分别计算，实现了d轴分量和q轴分量的解耦，有利于提高电压外环控制和电流内环控制的精度。

3、本发明中下垂控制分量由输出电流下垂控制得到，电流id和iq为电流in在dq坐标系中分别得到，用id和iq即可进行控制，与现有技术中的pq下垂控制相比，无需计算有功功率和无功功率，有利于简化计算，同时提高控制精度。

本发明将公式(6)中un与id、iq的关系式对应到参考电压d轴指令udref^*的计算中，同时把公式(7)ωn与id、iq的关系式对应到参考电压q轴指令uqref^*的计算中，实现下垂控制在d轴、q轴上的解耦控制，充分利用了dq解耦控制的优点，有利于提高控制精度。

4、与输出电流下垂控制相对应，补偿控制分量由平均电流下垂控制得到，平均电流下垂控制将多个逆变器的平均电流加入到电压外环控制中，在保证补偿效果的同时，有利于更好的进行均流控制。

5、本发明中误差电流下垂控制采用单个逆变器电流和多个逆变器平均电流之间的误差作为控制对象，随着控制的进行，单个逆变器电流和多个逆变器平均电流之间的误差越来越小，并最终趋向于零，使最终的输出趋向于稳定，因此，本发明中误差电流下垂控制分量的引入，有利于提高系统的稳态性能。

6、本发明还提出了一种均流控制装置，其中第一获得单元用于计算基准电压指令uref0，第一采样单元用于采样单个逆变器的运行数据电压un，电流in和频率ωn，第一计算单元用于根据电流in计算id和iq，第二获得单元用于根据id和iq计算idavg和iqavg，第二计算单元，用于根据单个逆变器的id和iq计算下垂控制d分量udref1和下垂控制q轴分量uqref1，第三计算单元，用于多个逆变器的idavg和iqavg计算补偿控制d轴分量udref2和补偿控制q轴分量uqref2，第五计算单元，用于根据id、iq、idavg和iqavg计算误差电流下垂控制d分量udref3和误差电流下垂控制q轴分量uqref3，第四计算单元用于根据基准电压指令uref0、下垂控制d分量udref1、下垂控制q轴分量uqref1、补偿控制d轴分量udref2、补偿控制q轴分量uqref2、误差电流下垂控制d分量udref3和误差电流下垂控制q轴分量uqref3计算单个逆变器电压外环控制的参考电压d轴指令udref^*和参考电压q轴指令uqref^*。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为电压外环控制和电流内环控制原理框图；

图2为本发明均流控制方法流程图；

图3为本发明中参考电压d轴指令udref^*的计算方法示意图；

图4为本发明中参考电压q轴指令uqref^*的计算方法示意图；

图5为本发明中均流控制装置结构示意图；

图中：21-第一获得单元，22-第一采样单元，23-第一计算单元，24-第二获得单元，25-第一计算单元，26-第三计算单元，27-第五计算单元，28-第四计算单元，。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

实施例一

如图2-图4所示，本发明提出了一种均流控制方法，包括

s101：获得单个逆变器的运行数据，

s102：根据单个逆变器的运行数据，得到下垂控制分量uref1，

s103：根据单个逆变器的运行数据，得到补偿控制分量uref2，补偿控制分量uref2与下垂控制分量uref1的计算方法一致，

s104：将下垂控制分量uref1和补偿控制分量uref2叠加到基准电压指令uref0中，得到单个逆变器电压外环控制的参考电压指令uref^*，具体为：

uref^*＝uref0-uref1+uref2

s105：根据参考电压指令uref^*，进行电压外环、电流内环控制。

本发明在电压外环控制和电流内环控制的基础上，在基准电压指令uref0中叠加下垂控制分量uref1，实现并联的逆变器之间的均流控制，同时，在基准电压指令uref0中叠加补偿控制分量uref2，补偿控制分量uref2的叠加方向与下垂控制分量uref2的叠加方向相反，可以对下垂控制分量uref1带来的电压下降进行补偿。这样，在保证均流效果的同时，减小了电压的下降。

进一步，所述单个逆变器的运行数据包括电压un，电流in和频率ωn。

进一步，所述基准电压指令uref0包括基准电压d轴指令udref0和基准电压q轴指令uqef0，

所述下垂控制分量uref1包括下垂控制d轴分量udref1和下垂控制q轴分量uqref1，下垂控制d轴分量udref1和下垂控制q轴分量uqref1均为下垂控制分量uref1在dq坐标系下分解得到，

所述补偿控制分量uref2包括补偿控制d轴分量udref2和补偿控制q轴分量uqref2，补偿控制d轴分量udref2和补偿控制q轴分量uqref2均为补偿控制分量uref2在dq坐标系下分解得到。

所述参考电压指令uref^*包括参考电压d轴指令udref^*和参考电压q轴指令uqref^*，udref^*和uqref^*的计算公式为：

udref^*＝udref0-udref1+udref2

uqref^*＝uqref0-uqref1+uqref2

本发明在进行参考电压指令uref^*的计算时采用d轴和q轴分别计算，实现了d轴分量和q轴分量的解耦，有利于提高电压外环控制和电流内环控制的精度。

进一步，所述下垂控制d轴分量udref1和下垂控制q轴分量uqref1均由输出电流下垂控制得到，具体为：

udref1＝m1*id-m2*iq

uqref1＝m3*id+m4*iq

其中，id和iq均为电流in在dq坐标系中分解得到。

本发明中下垂控制分量由输出电流下垂控制得到，电流id和iq为电流in在dq坐标系中分别得到，用id和iq即可进行控制，与现有技术中的pq下垂控制相比，无需计算有功功率和无功功率，有利于简化计算，同时提高控制精度。

本发明将公式(6)中un与id、iq的关系式对应到参考电压d轴指令udref^*的计算中，同时把公式(7)ωn与id、iq的关系式对应到参考电压q轴指令uqref^*的计算中，实现下垂控制在d轴、q轴上的解耦控制，充分利用了dq解耦控制的优点，有利于提高控制精度。

进一步，所述补偿控制d轴分量udref2和补偿控制q轴分量uqref2均由平均电流下垂控制得到，具体为：

udref2＝n1*idavg-n2*iqavg

uqref2＝n3*idavg+n4*iqavg

其中，idavg为并联的多个逆变器的id取平均值得到，iqavg为并联的多个逆变器的iq取平均值得到。

与输出电流下垂控制相对应，补偿控制分量由平均电流下垂控制得到，平均电流下垂控制将多个逆变器的平均电流加入到电压外环控制中，在保证补偿效果的同时，有利于更好的进行均流控制。

进一步，还包括

s106：获得误差电流下垂控制d分量udref3和误差电流下垂控制q轴分量uqref3，具体为：

udref3＝p1*(id-idavg)-p2*(iq-iqavg)

uqref3＝p3*(id-idavg)+p4*(iq-iqavg)

s107：将udref3叠加到udref0中得到最终的udref^*，同时将uqref3叠加到uqef0中得到最终的uqref^*，具体为：

udref^*＝udref0-udref1+udref2-udref3

uqref^*＝uqref0-uqref1+uqref2-uqref3

本发明中误差电流下垂控制采用单个逆变器电流和多个逆变器平均电流之间的误差作为控制对象，随着控制的进行，单个逆变器电流和多个逆变器平均电流之间的误差越来越小，并最终趋向于零，使最终的输出趋向于稳定，因此，本发明中误差电流下垂控制分量的引入，有利于提高系统的稳态性能。

实施例二

基于与实施例一中一种均流控制方法相同的发明构思，本发明还提供一种均流控制装置，如图5所示，包括

第一采样单元，用于采样单个逆变器的运行数据，包括电压un，电流in和频率ωn，

第一计算单元，用于对电流in在dq坐标系中分解得到id和iq，

第二获得单元，用于获得多个逆变器的id和iq，并根据多个逆变器的id和iq计算idavg和iqavg，

第二计算单元，用于根据单个逆变器的id和iq计算下垂控制d轴分量udref1和下垂控制q轴分量uqref1，

第三计算单元，用于多个逆变器的idavg和iqavg计算补偿控制d轴分量udref2和补偿控制q轴分量uqref2，

第四计算单元，用于根据基准电压指令uref0、下垂控制d分量uref1、下垂控制q轴分量uqref1、补偿控制d轴分量udref2和补偿控制q轴分量uqref2，计算单个逆变器电压外环控制的参考电压d轴指令udref^*和参考电压q轴指令uqref^*。

进一步，还包括第一获得单元，用于获得单个逆变器输出电压指令，并根据单个逆变器输出电压指令计算电压外环控制的基准电压指令uref0，具体为：当多个并联的逆变器并网运行时，所述第一获得单元采样电网电压，并根据电网电压计算电压外环控制的基准电压指令uref0，当多个并联的逆变器离网运行时，所述第一获得单元读取用户输入的交流电压指令，并根据交流电压指令计算电压外环控制的基准电压指令uref0，

进一步，所述第四计算单元具体用于：对基准电压指令uref0在dq坐标系中进行分解，得到基准电压d轴指令udref0和基准电压q轴指令uqef0，并将udref1和udref2叠加到udref0中得到udref^*，同时将uqref1和uqref2叠加到uqef0中得到uqref^*。

进一步，还包括第五计算单元，用于根据id、iq、idavg和iqavg计算误差电流下垂控制d分量udref3和误差电流下垂控制q轴分量uqref3，

第四计算单元还用于将udref3叠加到udref0中得到最终的udref^*，并将uqref3叠加到uqef0中得到最终的uqref^*。

其中第一获得单元用于计算基准电压指令uref0，第一采样单元用于采样单个逆变器的运行数据电压un，电流in和频率ωn，第一计算单元用于根据电流in计算id和iq，第二获得单元用于根据id和iq计算idavg和iqavg，第二计算单元，用于根据单个逆变器的id和iq计算下垂控制d分量udref1和下垂控制q轴分量uqref1，第三计算单元，用于多个逆变器的idavg和iqavg计算补偿控制d轴分量udref2和补偿控制q轴分量uqref2，第五计算单元，用于根据id、iq、idavg和iqavg计算误差电流下垂控制d分量udref3和误差电流下垂控制q轴分量uqref3，第四计算单元用于根据基准电压指令uref0、下垂控制d分量udref1、下垂控制q轴分量uqref1、补偿控制d轴分量udref2、补偿控制q轴分量uqref2、误差电流下垂控制d分量udref3和误差电流下垂控制q轴分量uqref3计算单个逆变器电压外环控制的参考电压d轴指令udref^*和参考电压q轴指令uqref^*。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。