实现并联逆变器无功均分的虚拟感抗调节器及控制方法与流程

本发明属微电网技术范畴，涉及低压微电网孤岛下逆变器并联运行时无功功率均衡的分配，具体是一种实现并联逆变器无功均分的虚拟感抗调节器及控制方法。

(二)

背景技术：

近年来，大量可再生能源以分布式电源的形式被接入到电网中，微网增大了分布式电源的渗透率、增加了新能源供电的可靠性从而备受关注。微电网孤岛运行过程中，没有大电网提供电压和频率的基准，由并联逆变器为整个电网提供电压和频率，因此，逆变器在很大程度上影响着微电网的电能质量。传统下垂控制通过调整逆变器输出电压的幅值和频率均分负荷功率，是微网稳定运行于孤岛模式时的关键技术，具有即插即用的优点。传统下垂控制认为逆变器等效线路阻抗呈感性，然而在实际微网中，通常采用低压传输线，等效线路阻抗主要呈阻性，若依旧采用传统的下垂控制将引起严重的功率耦合，将降低系统的运行效率。采用虚拟阻抗法可以实现功率解耦，使传统下垂控制依旧适用。而线路阻抗往往存在不匹配的情况，导致逆变器输出电压差的出现，而很小的电压差就将造成较大的无功功率均分误差，引起系统无功环流，这将增大系统损耗、降低电能质量。

国内外许多学者提出了改进方法：通过将逆变器输出阻抗设计为阻性，以降低功率耦合，这种方法需要有效值环补偿因缺少积分项造成的过增益现象，这将增加系统的复杂性，不适用于实际应用中；采用虚拟阻抗技术使逆变器输出阻抗与额定容量相匹配，可以降低无功功率均分误差，这种方法需要检测线路阻抗参数，这将是个非常麻烦且不具操作性的问题；通过检测线路阻抗造成的电压降落，将其补偿到功率控制策略中以实现无功功率均分，这种方法在孤岛运行前必须在并网时获取补偿参数，存在局限性。

(三)

技术实现要素：

基于现有技术中存在的不足，本发明的目的是针对低压微网中线路阻抗呈阻性及存在线路阻抗差，导致功率严重耦合、无功功率均分误差较大的问题，提供一种基于虚拟感抗的改进型下垂控制技术。采用本发明的实现并联逆变器无功均分的虚拟感抗调节器及控制方法，无需检测线路阻抗参数就能够实现功率解耦和消除线路阻抗差异，在保留下垂控制的优点的同时使无功功率按照下垂系数精确分配，保证微网孤岛运行时的稳定性。

本发明的基本思路是：由于在微电网中通常采用低压传输线，并联的逆变器等效线路阻抗主要呈阻性，若依旧采用传统的下垂控制将引起严重的功率耦合，从而降低系统的运行效率。实现无功功率均分的条件是等效线路阻抗与逆变器额定输出功率相匹配，然而线路阻抗往往出现不匹配的情况，难以满足无功功率实现均分的条件，这将产生并联逆变器的输出电压差，导致无法精确分配无功功率。通过引入基准虚拟感抗，可以使逆变器等效输出阻抗在基频(频率为50hz)处基本呈现出感性，可见若引入一个起决定性作用的基准虚拟感抗就能够将等效线路阻抗设计呈感性，实现功率解耦，使传统下垂依旧适用于低压微网的环境。并且加装虚拟感抗调节器于本地控制器中，采用逆变器输出无功功率调节虚拟感抗的大小，消除线路阻抗差异，且不用检测线路阻抗参数，就能缩减逆变器输出电压差，实现功率均分。

本发明的目的通过以下技术方案达到：

虚拟感抗调节器安装在低压微网逆变器并联电路的每一个逆变器的本地控制器中，本地控制器通过低带宽通信线与微网中心控制器实现互联。

本地控制器采集其连接着的逆变器的输出电压uo以及输出电流io，经过功率计算得到无功功率q，并将其通过低带宽通信线传输给中心控制器。

微网中心控制器采集总无功功率qtotal并发送给本地控制器，本地控制器将接收到的总无功功率qtotal用于计算逆变器应输出的额定无功功率q^*。

虚拟感抗调节器由减法器、积分器和加法器三部分组成。

所述减法器由电阻r1～r4及运算放大器a1构成，其输入为逆变器输出的无功功率q和该逆变器应输出的额定无功功率q^*，输出为无功功率差值(q-q^*)；

所述积分器由电阻r5、电容c及运算放大器a2构成，其输入为无功功率差值(q-q^*)，输出为虚拟感抗的自适应部分m是积分器系数；

所述加法器由电阻r6～r9及运算放大器a3构成，其输入为基准虚拟感抗x^*及积分器的输出部分，输出为虚拟感抗xv。

加法器输出的虚拟感抗xv的表达式为：

式中，s为拉氏变换复变量算子；

基准虚拟感抗x^*，保证逆变器等效线路阻抗呈感性，实现功率解耦。

所述逆变器应输出的额定无功功率q^*的具体表达式为：

式中，kqe_i、kqe_j分别为第i台和第j台逆变器的无功功率-电压幅值下垂系数，qi^*表示第i台逆变器应输出的额定无功功率。

采用实现并联逆变器无功均分的虚拟感抗调节器的控制方法：在引入基准虚拟感抗x^*，逆变器等效线路阻抗呈感性后，加装虚拟感抗调节器于本地控制器中，采用逆变器输出无功功率调节虚拟感抗的大小，消除线路阻抗差异，且不用检测线路阻抗参数，缩减逆变器输出电压差，实现功率均分：

包括以下步骤：

步骤1：本地控制器经过功率计算得出无功功率q，并通过通信线传输到中心控制器中；

步骤2：通过加入基准虚拟感抗x^*将逆变器等效线路阻抗设计呈感性；

步骤3：中心控制器将采集到的总无功功率qtotal发送给各个逆变器的本地控制器，本地控制器根据qtotal计算逆变器应输出的额定无功功率q^*；

步骤4：根据权利要求1所述的虚拟感抗调节器获得带自适应部分的虚拟感抗xv；

步骤5：结合所述步骤4中的xv及下垂控制得到逆变器输出电压的参考电压，经过电压、电流双环控制，调节逆变器的输出电压和无功功率，使各逆变器均分负荷。

步骤1进一步包括：

步骤1-1：本地控制器采集逆变器的输出电压uo、输出电流io，io经dq坐标变换为id、iq；

步骤1-2：将本地控制器采集到的逆变器输出电压uo移相90°后，与逆变器输出电流io相乘得到瞬时有功功率p，逆变器输出电压uo与逆变器输出电流io相乘得到瞬时无功功率q，瞬时有功功率p与瞬时无功功率q分别经过低通滤波器得到平均有功功率p和平均无功功率q，经过下垂控制得到逆变器输出电压的频率ω和幅值udroop，udroop经dq坐标变换为udroop-d、udroop-q。

所述步骤5中参考电压差的表达式为:

其中为输出电压参考值的dq分量。

本发明的积极效果是：

(1)通过引入虚拟感抗实现了功率解耦，使得传统下垂公式依旧可以用于低压微电网中，且采用无功功率调节虚拟阻抗的大小，能够不测量线路阻抗参数就使得线路阻抗相匹配，实现无功功率精确分配，提高了电能质量。

(2)本发明中的中心控制器只与各个逆变器实现互联，而各个逆变器之间无需通信线连接，保留了逆变器即插即用的特性。

(3)本发明能够应对负荷突变的情况，在负荷功率变化较大时，依旧能够均分负荷功率，使逆变器输出电压的幅值和频率都维持在额定状态，增加了供电的可靠性。

(四)附图说明

图1为现有的两个逆变器并联电路结构图。

图2为两个并联逆变器的简化电路模型。

图3为功率计算及下垂控制框图。

图4为引入基准虚拟感抗后的输出电压示意图。

图5为引入基准虚拟感抗后的逆变器等效输出阻抗伯德图。

图6为本发明的虚拟感抗调节器的电路图。

图7为本发明的本地控制器的整体结构框图，虚拟感抗调节器安装在本地控制器里。

图8-a为采用传统下垂控制方法时有功功率仿真结果图。

图8-b为采用传统下垂控制方法时无功功率仿真结果图。

图8-c为采用传统下垂控制方法时输出电压仿真结果图。

图9-a为采用本发明控制方法时有功功率仿真结果图。

图9-b为采用本发明控制方法时无功功率仿真结果图。

图9-c为采用本发明控制方法时输出电压仿真结果图。

图中，1：本地控制器1，2：本地控制器2，3：公共母线，4：通信线，5：中心控制器，6：功率计算模块，7：下垂控制模块，8：虚拟感抗调节器，9：电压、电流双环控制模块，10：pwm驱动模块，s1-s6：逆变器开关管，a：引入基准虚拟感抗前，b：引入基准虚拟感抗后。

(五)具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为现有的两个逆变器并联电路结构图，vdc为分布式电源发出的直流电，s1-s6为逆变器开关管，lf、cf分别为滤波电感和滤波电容，ili为第i个逆变器的电感电流，、ioi为第i个逆变器的输出电流、uoi为第i个逆变器的输出电流电压，zlinei为第i个逆变器的线路阻抗，逆变器经过线路阻抗连接到公共母线上，该母线上还连接着负荷zload。本地控制器采集ili、uoi、ioi并与中心控制器通过低带宽通信线交互信息。

图2为两个逆变器并联的简化电路模型，zi为逆变器i(i＝1，2)的等效线路阻抗，即为逆变器输出阻抗与线路阻抗之和，ri、xi为相应的电阻和感抗，zload为负荷。ui∠φi为逆变器输出电压，ii为输出电流，vpcc为交流母线电压，φi为两者的相角差。

由图2可以计算出等效线路阻抗呈感性时无功功率与线路阻抗的关系为：

图3为本地控制器中的功率计算模块及下垂控制模块。将本地控制器采集到的逆变器输出电压uo移相90°后，与逆变器输出电流io相乘得到瞬时有功功率p，逆变器输出电压uo与逆变器输出电流io相乘得到瞬时无功功率q，p、q分别经过低通滤波器得到平均有功功率p和平均无功功率q，图4中示出的低通滤波器为频域下的表达式，其中t为滤波器时间常数，s为拉式变换复变量；p、q经过下垂控制方程得到ω和udroop。

所述下垂控制方程为：

ω＝ω0-kpωp(2)

udroop＝u0-kqeq(3)

将式(3)带入式(1)中得到无功功率的另一种表达式为：

可见，无功功率实现均分的条件是等效线路阻抗与逆变器额定功率相匹配。

图4为引入基准虚拟电感lv^*后的电压、电流双环控制框图，所述虚拟电感lv^*与虚拟感抗x^*之间差一个拉普拉斯算子，即slv^*＝x^*；g(s)和zo(s)分别为引入基准虚拟感抗前的输出电压增益和逆变器的等效输出阻抗；t0是低通滤波器的滤波时间常数，加入低通滤波器可以有效地避开高频噪声干扰；由图5可得到引入基准虚拟感抗后的逆变器输出电压表达式为:

由此可知引入基准虚拟感抗后的逆变器等效阻抗表达式为：

图5是根据式(6)得到的引入基准虚拟感抗前后的逆变器等效输出阻抗伯德图，可以看出，引入基准虚拟感抗后的逆变器等效输出阻抗在基频(频率为50hz)处基本呈现出感性，并且其值与引入的基准虚拟感抗值相同，可见若引入一个起决定性作用的基准虚拟感抗就能够将等效线路阻抗设计呈感性，实现功率解耦。

图6是本发明的虚拟感抗调节器的电路图，由减法器、积分器和加法器三部分组成。电阻r1～r4及运算放大器a1构成一个减法器，其输入为逆变器输出的无功功率q和该逆变器应输出的额定无功功率q^*，输出无功功率差值(q-q^*)；电阻r5、电容c及运算放大器a2构成一个积分器，其输入为无功功率差值(q-q^*)，输出虚拟感抗的自适应部分m是积分器系数；电阻r6～r9及运算放大器a3构成一个加法器，其输入为基准虚拟感抗x^*及积分器的输出部分，输出虚拟感抗xv。

所述虚拟感抗xv的表达式为：

图7是本地控制器的整体结构框图，由图7可以看出本发明实现无功功率均分的主要步骤为：

(1)：本地控制器采集逆变器的输出电压uo、输出电流io以及电感电流il，经过功率计算得到平均有功功率p和平均无功功率q，并将q通过通信线传输到中心控制器中。

(2)：步骤(1)中的p、q经过下垂控制得到逆变器输出电压的频率ω和幅值udroop，udroop经dq坐标变换为udroop-d、udroop-q，步骤1中的io经dq坐标变换为id、iq。

(3)：通过加入基准虚拟感抗x^*将逆变器等效线路阻抗设计呈感性。

(4)：中心控制器将采集到的所有无功功率(q1、q2....qn)加起来得到总的无功功率qtotal并发送给各个逆变器，各个逆变器采用接收器接收到总无功功率，并乘以相应的系数得到各个逆变器应该输出的额定无功功率q^*，其表达式可列为：

式中kqe_i、kqe_j分别为第i台和第j台逆变器的无功功率-电压幅值下垂系数，为第i台逆变器应该输出的额定无功功率。

(5)：将步骤(1)中的q、步骤(3)中的x^*及步骤(4)中的的q^*送入图6示出的虚拟感抗调节器中，计算出带有自适应部分的虚拟感抗xv，表达式为式(7)。

(6)：步骤(2)中的输出电流io的dq分量id、iq与步骤(5)中的虚拟感抗xv相乘，计算出逆变器输出电压参考值的补偿值vvir-d、vvir-q，表达式为：

(7)：将步骤(2)中的输出电压的分量udroop-d、udroop-q分别减去步骤(6)中的逆变器输出电压参考值的补偿值vvir-d、vvir-q，得到逆变器输出电压参考值，结合步骤(1)中采集的电感电流il，经过电压、电流双环控制，得到pwm调制波d并进行pwm驱动，最终控制逆变器开关管s1-s6开、断，调节逆变器的输出电压和无功功率，使各逆变器均分负荷。

所述逆变器输出电压参考值为：

本发明在matlab/simulink软件平台上搭建了低压微网两个逆变器并联运行的仿真模型。该仿真模型包含两台相同容量的逆变器，经过不同的线路阻抗并联后共同为负载供电，表1列出了仿真参数。

表1

实例(1)：

两台逆变器都采用传统的下垂控制，在0～1s内仅为负荷1供电：负荷1的有功、无功功率分别为8kw、10kvar，第1s时投入负荷2供电，并在第2s将其切除，系统稳定后恢复到仅为负荷1。负荷2的有功、无功功率分别为8kw、8kvar。

图8为采用传统下垂控制时得到的有功功率、无功功率逆变器输出电压仿真结果。

由图8-a示出的有功功率仿真结果图可看出，传统的下垂控制即使能够较好的均分有功功率，但是达到均分的时间较长，需0.4s，运行效率低；如图8-b比较了两台逆变器输出电压的其中一相，可以看出由于线路阻抗差异，造成了逆变器输出电压差较大，而很小的电压差就能引起较大的无功功率均分误差，如图8-c，负载突变后系统稳定运行时q1的相对误差为-33.7％，q2的相对误差为30.2％。

实例(2)：

两台逆变器都采用虚拟感抗调节器计算出虚拟感抗用于功率解耦和消除线路阻抗差，负荷的投切与实例(1)一样。

参见图9-a～9-c。

采用本发明的控制方法得到的逆变器输出电压、有功功率和无功功率仿真结果。图中，可以看出，引入虚拟感抗实现了功率解耦，消除了两台逆变器之间的等效线路阻抗差异，相对于图8-a，有功功率实现均分的过渡时间变短，仅需0.14s，两台逆变器之间的输出电压差明显变小，无功功率均分效果显著提高，负载突变前后逆变器稳定运行时q1、q2的相对误差都在±2％以内。