一种微网中并联逆变器的解耦电流下垂控制方法与流程

本发明属于微网中并联逆变器的协调控制领域，具体涉及一种微网中并联逆变器的解耦电流下垂控制方法。
背景技术：
：随着环境和能源危机的日益加深，微网的概念得到了越来越多的关注和应用。微网是结合了分布式电源和互联负载的能源系统。大多数情况下，微网通过电力电子接口，例如逆变器，与母线相连接。因此，并联逆变器间的协调控制是微网实现稳定高效运行的关键因素之一。由于分布式电源地理位置上的分散性，在并联电源之间利用通讯线来传递信号往往并不可行，因为这会增加成本并且降低系统可靠性。在这种情况下，下垂控制的应用可以在不使用通讯线的前提下实现并联电源间功率的均分。然而，传统下垂控制也会带来一些缺陷，例如功率控制间的耦合导致的不稳定性、无功功率的均分特性差以及频率和电压幅值的偏差。除此之外，传统下垂控制依赖于对逆变器输出功率的计算，需要对计算出的瞬时功率进行低通滤波，以消除其中的谐波和噪音，获得基对应波的平均功率，产生平滑稳定的电压和频率参考值。但是，低通滤波器的有限带宽会拖慢系统动态响应，甚至会造成整个系统的稳定性问题。为了解决上述问题，近年以瞬时电流控制而非功率控制为目的的下垂控制方法成为研究热点。有文献提出利用通讯线均分电流，但这种方法虽然实现了多台逆变器间的电流均分，然而，通讯线的使用增加了成本也容易受到噪音干扰。还有文献提出采用电流谐振器来控制电流峰值的方法，尽管这种方法也可以实现精确的电流均分，但是该方法需要实时调整谐振控制器的谐振频率，这使得系统的动态响应并没有提升。近期也有文献利用输出电流的直轴分量和交轴分量与电压的幅值和相位之间的本征下垂机制，提出一种新型电流下垂控制策略，然而该方法要求各逆变器拥有相似的硬件参数和控制器参数设计，实际可行性不强。还有文献在同步旋转坐标系中，建立电压与电流之间的下垂关系来实现电流均分，但是这种方法的同步机理是基于主从控制的结构建立的，会降低系统运行的冗余度。技术实现要素：为了克服上述现有技术存在的缺陷，提高下垂控制的动态响应和系统稳定性，本发明提供了一种微网中并联逆变器的解耦电流下垂控制方法，该方法能够实现负载电流在逆变器之间得到精确均分。本发明是通过以下技术方案来实现：本发明公开了一种微网中并联逆变器的解耦电流下垂控制方法，包括以下步骤：1)在一个交流微网中，包括n台并联的逆变器，为了提高系统的冗余度和可靠性，每台逆变器以相同的控制策略平等地控制为电压源；2)每台逆变器通过电压锁相环采集电容两端电压相位信息，获取电压矢量的直轴分量和交轴分量，并产生电压频率的参考值；其中，在电压锁相环中采用比例(p)调节器，基于比例(p)调节器的锁相环配合电压调节器可以保证频率参考值在基频(50hz)附近并使各逆变器之间保持同步；3)每台逆变器通过电流锁相环采集电流的相位信息，获取电流矢量的直轴分量和交轴分量；4)根据步骤2)与步骤3)中采集的电压相位信息与电流相位信息，将电流矢量作旋转变换，得到虚拟电流矢量，该虚拟电流矢量与电压矢量同方向；5)在同步旋转坐标系中，将步骤4)中的虚拟电流矢量与步骤2)中的电压矢量建立下垂关系以达到均分电流的效果，该下垂关系用于产生电压的直轴分量和交轴分量的参考值，将该参考值输入电压电流调节器用以生成pwm调制信号。优选地，步骤4)中虚拟电流包括直轴分量i'd和交轴分量i'q，直轴分量i'd和交轴分量i'q由下式计算得出：其中，δ是通过电压电流锁相环计算出的输出电压与输出电流的相角差，id和iq分别是同步旋转坐标系下电流的直轴分量和交轴分量。优选地，步骤5)中建立的下垂关系计算式如下：其中，vd*和vq*分别是同步旋转坐标系下电压的直轴分量和交轴分量的参考值；vd0和vq0分别是vd*和vq*的额定值；m和n定义为正值，是下垂控制的增益；i'd和i'q分别是同步旋转坐标系下虚拟电流的直轴分量和交轴分量；i'd0和i'q0分别是i'd和i'q的额定值。进一步优选地，根据虚拟电流计算式及下垂关系计算式，得到控制式如下：选取m和n为相同的值，即看作引入一个与线路阻抗串联的虚拟阻抗，其值为：rv＝m·cosδ；其中，rv和lv分别为虚拟电阻值和虚拟电感值；ωbase是基波频率。优选地，设计时，选取足够大的m的值，使其满足：且其中，rline和lline分别是传输线路阻抗的电阻值和电感值，m满足该条件使虚拟阻抗的值远大于线路阻抗的值，从而相比之下线路阻抗值可以忽略，各台逆变器会产生相同的电压参考值vd*和vq*，因此只要保证各台逆变器的电压电流下垂关系式的控制参数相同，即可以实现并联逆变器间精确的电流均分。优选地，在电流锁相环中采用比例积分调节器。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明公开的微网中并联逆变器的解耦电流下垂控制方法，与传统下垂控制不同，首先，该方法无需对逆变器的输出功率进行计算，而是通过将电流矢量进行旋转变换，从而产生与电压矢量同相位的虚拟电流矢量，进而在同步旋转坐标系下建立电压与虚拟电流之间的下垂关系。其次，通过合理设计参数，可使下垂关系自然形成虚拟阻抗的控制特性，补偿由于线路阻抗不相同造成的电流均分效果的下降。最后，在此方法中采用基于比例调节器的电压锁相环，产生电压频率的参考值，相比传统的基于比例积分调节器的锁相环，该方法中的锁相环可以保证并联逆变器以平等的身份同步运行，保持冗余度。因此，本发明方法不依赖于逆变器间的通讯，相比传统的下垂控制，该方法拥有更加快速的动态响应和良好的系统稳定性，并且在线路阻抗不同的情况下仍能实现并联逆变器间的均流，为工程应用提供了很好的参考价值。附图说明图1为本发明所提出的控制方法的总体控制框图；图2为同步旋转坐标系下电压矢量与电流矢量之间的解耦关系图；图3为当负载变化时，两种控制方法下的电流直轴分量、交轴分量和频率的仿真波形图；其中，(a1)、(a2)、(a3)分别为在传统下垂控制方法下的电流直轴分量、交轴分量和频率的波形图；(b1)、(b2)、(b3)分别为在本发明中提出的控制方法下的电流直轴分量、交轴分量和频率的波形图；图4为当两台逆变器进入并联状态时，两种控制方法下的电流直轴分量、交轴分量和频率的仿真波形图；其中，(a1)、(a2)、(a3)分别为在传统下垂控制方法下的电流直轴分量、交轴分量和频率的波形图；(b1)、(b2)、(b3)分别为在本发明中提出的控制方法下的电流直轴分量、交轴分量和频率的波形图；图5为本发明提出的控制方法下，两台并联逆变器输出功率的实验波形图；其中，(a)为输出有功功率的波形图；(b)为输出无功功率的波形图；图6为本发明中提出的控制方法下，负载变化前后两台并联逆变器输出的稳态电压和电流实验波形图；其中，(a)为负载变化前的波形图；(b)为负载变化后的波形图。具体实施方式下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。参照图1和图2，本发明提出了一种微网中并联逆变器的解耦电流下垂控制方法，旨在解决传统下垂控制逆变器的电流均分效果，动态响应和系统稳定性问题。其具体实现步骤如下：1)在一个交流微网中，包括n台并联的逆变器，每台逆变器按照相同的电流下垂控制策略，控制为电压源。2)每台逆变器通过电压锁相环采集电容两端电压的相位信息，获取电压矢量的直轴分量和交轴分量，并产生电压频率的参考值；在电压锁相环中采用比例(p)调节器，以保证频率参考值在基频(50hz)附近并使各逆变器之间保持同步。3)每台逆变器通过电流锁相环采集电流的相位信息，获取电流矢量的直轴分量和交轴分量；在电流锁相环中采用比例积分(pi)调节器。4)根据步骤2)与步骤3)中采集的电压相位与电流相位，将电流矢量做旋转变换，得到虚拟电流矢量，虚拟电流矢量与电压矢量同方向，虚拟电流的直轴分量i'd和交轴分量i'q，由下式计算得出：其中，δ是通过电压电流锁相环计算出的输出电压与输出电流的相角差，id和iq分别是同步旋转坐标系下电流的直轴分量和交轴分量。5)在同步旋转坐标系中，将步骤4)中的虚拟电流矢量与电压矢量建立下垂关系，产生电压的直轴分量和交轴分量的参考值，以达到均分电流的效果。每台逆变器的具体控制式如下：其中，vd*和vq*分别是同步旋转坐标系里电压的直轴分量和交轴分量的参考值；vd0和vq0分别是vd*和vq*的额定值；m和n定义为正，是下垂控制的增益；i'd和i'q分别是同步旋转坐标系下虚拟电流的直轴分量和交轴分量；i'd0和i'q0分别是i'd和i'q的额定值。6)结合步骤4)和步骤5)，完整的控制式如下：在设计时选取m和n为相同的值，即可以看作引入了一个与线路阻抗串联的虚拟阻抗，其值为rv＝m·cosδ；其中，rv和lv分别是虚拟电阻值和虚拟电感值；ωbase是基波频率。进一步在设计时选取足够大的m的值，使其满足且其中，rline和lline分别是传输线路阻抗的电阻值和电感值；这样设计可以使得虚拟阻抗的值远大于线路阻抗的值，从而相比之下线路阻抗值可以忽略，各台逆变器会产生相同的电压参考值vd*和vq*，因此只要保证权利要求3中各台逆变器的电压电流下垂关系式的控制参数相同，即可以实现并联逆变器间精确的电流均分。具体的，本发明的仿真模型由两台相同的逆变器并联构成的系统组成。并且为了清晰地与传统下垂控制进行比较，也建立了传统下垂控制的仿真模型进行仿真。仿真参数参见表1，其中zline1和zline2分别为两台逆变器的线路阻抗。表1仿真参数两组仿真分别为两种控制方法的电流均分效果比较和动态响应速度比较，仿真结果分别如图3和图4所示。在图3和图4中，(a1)、(a2)、(a3)分别为传统下垂控制方法下的电流直轴分量、交轴分量和频率波形图；(b1)、(b2)、(b3)分别为本发明中提出的控制方法下的电流直轴分量、交轴分量和频率波形图。在图3中，第1秒时有功负载增加，从仿真波形中可以看出，即使在线路阻抗不同的情况下，本发明中所提出的控制方法比传统下垂控制具有更好的电流均分效果；在图4中，第1.45秒时两台逆变器开始并联运行，从仿真波形中可以看出，相比传统下垂控制方法，本发明中所提出的控制方法具有更快的动态响应速度和更稳定的瞬态响应。仿真结果证明了本发明方法具有更精确的电流均分效果和更快更稳定的动态响应速度。实验平台由两台相同型号的逆变器(mwinv-9r144)并联构成。实验参数参见表2，其中zline1和zline2分别为两台逆变器的线路阻抗。表2实验参数参数数值参数数值m2v/an2v/avd0200vvq00vi'd00ai'q00azline11.0ω+2.8mhzline22.8mh图5和图6给出了采用本发明所描述的控制方法时的实验波形，分别为本发明方法的输出功率波形和稳态电压电流波形。图5中，(a)为并联逆变器输出有功功率的波形图；(b)为并联逆变器输出无功功率的波形图；图6中，(a)负载变化前并联逆变器输出的电压和电流波形图；(b)为负载变化后并联逆变器输出的电压和电流波形图。图5所示实验中，第21秒时无功负载减小，从实验波形中可以看出，逆变器输出的有功和无功功率都被准确均分；从图6中也可以看出，负载切换前后，采用本发明中方法的并联逆变器具有良好的均流特性。因此，通过实验证明了本发明方法具有良好的电流均分效果。综上所述，本发明中给出一种同步旋转坐标系中的解耦电流下垂控制方法。为了验证控制方法的可行性，在仿真软件pscad中搭建了两台逆变器并联的仿真模型，并利用两台mwinv-9r144逆变器构建了实验平台进行硬件验证。仿真和实验结果都证明了相比传统下垂控制方法，本发明方法在线路阻抗不同的情况下仍可以实现各逆变器输出电流的精确均分，并且拥有更加快速的动态响应和良好的系统稳定性。该方法正确、可靠，为工程应用提供了很好的参考价值。当前第1页12