本發(fā)明涉及分布式發(fā)電、微電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種逆變器并聯(lián)運行系統(tǒng)中虛擬阻抗的在線調(diào)節(jié)法。

背景技術(shù)：

隨著用電需求量的不斷增加，對微網(wǎng)中逆變電源的容量和可靠性的要求越來越高，逆變器并聯(lián)運行是提高電源系統(tǒng)可靠性和擴(kuò)大供電容量的一種重要途徑。如何保證并聯(lián)逆變器間協(xié)調(diào)運行、實現(xiàn)不同功率等級逆變器間功率精確分配和環(huán)流抑制是實現(xiàn)微網(wǎng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵問題。

現(xiàn)如今，下垂控制廣泛應(yīng)用于無互聯(lián)線逆變器并聯(lián)，多個逆變器同時參與微電網(wǎng)電壓幅值和頻率調(diào)節(jié)，各逆變器的運行功率按照容量分配。然而，由于逆變器參數(shù)、線路阻抗等各異，并聯(lián)運行的等效輸出阻抗很難達(dá)到精確匹配，所以傳統(tǒng)的下垂控制難以實現(xiàn)功率精確分配和環(huán)流抑制。為了降低逆變器功率控制對輸出阻抗和設(shè)計參數(shù)差異的敏感性，有學(xué)者提出引入虛擬阻抗環(huán)節(jié)，但是傳統(tǒng)的虛擬阻抗環(huán)節(jié)會造成逆變器端較大的壓降，影響逆變器的性能，增加了不穩(wěn)定因素。

目前，對于并聯(lián)運行逆變器的功率精確分配和環(huán)流抑制問題，已有多篇學(xué)術(shù)論文和專利進(jìn)行研究并提出解決方法，例如：

1、程軍照等人在發(fā)表的“一種不等容逆變器并聯(lián)運行負(fù)荷分擔(dān)的控制方法”的專利中提出了在控制中增設(shè)虛擬阻抗的方法，它通過設(shè)定虛擬阻抗值與逆變器額定容量成反比來實現(xiàn)功率精確分配。該方法的缺點主要是：忽略了逆變器間線路阻抗的影響，加入的虛擬阻抗大于線路阻抗5倍，增大了逆變器輸出電壓的壓降，影響了系統(tǒng)的性能。

2、題為“Robust Droop Controller for Accurate Proportional Load Sharing Among Inverters Operated in Parallel”,Qing-Chang Zhong,《IEEE transactions on Industrial Electronics》,2013,60(4):1281-1290，該文章在傳統(tǒng)下垂控制的無功下垂環(huán)節(jié)加入了積分環(huán)節(jié)，可以使無功功率不受線路阻抗的影響，但由于該方法需要檢測公共點電壓，對于安裝位置距離公共點較遠(yuǎn)的逆變器需要額外的通信設(shè)備和通信線路，增加了成本。

3、Chia-Tse Lee等人發(fā)表的“A New Droop Control Method for the Autonomous Operation of Distributed Energy Resource Interface Converters”《IEEE transactions on power electronics》,2013:1980-1993，該文章提出了一種下垂控制來改善功率分配精度，并加入了電壓復(fù)原控制來消除電壓偏差。該方法的缺點是電壓復(fù)原控制的加入降低了功率分配的精度，并且可以從仿真結(jié)果看出該方法對無功功率精確分配的改善效果并不理想。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中逆變器并聯(lián)運行時無功功率無法按照額定容量來分配負(fù)載功率的問題，提供一種可抑制并聯(lián)運行逆變器環(huán)流的虛擬阻抗在線調(diào)節(jié)法，該方法在傳統(tǒng)下垂控制中，加入可調(diào)節(jié)的虛擬阻抗環(huán)節(jié)，根據(jù)不同逆變器線路阻抗和實時功率來調(diào)節(jié)虛擬阻抗的大小，以實現(xiàn)不同容量逆變器之間的功率按比例分配和環(huán)流抑制，保證微電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

本發(fā)明提出一種可抑制并聯(lián)運行逆變器環(huán)流的虛擬阻抗在線調(diào)節(jié)法，所述調(diào)節(jié)函數(shù)為：

所述調(diào)節(jié)函數(shù)中：X_v為加入的虛擬感抗；下標(biāo)1,2,3…n,為逆變器標(biāo)號；X_set為第一逆變器的虛擬感抗初始設(shè)定值，第一逆變器為并聯(lián)運行的n個逆變器中被任意選定的一個且額定容量被作為基準(zhǔn)的逆變器；k₁,k₂,...,k_n為逆變器額定容量比；k_v為阻抗調(diào)節(jié)系數(shù)；Q_set為第一逆變器的無功功率設(shè)定值；Q_n是逆變器輸出的無功功率值。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明可抑制并聯(lián)運行逆變器環(huán)流的虛擬阻抗在線調(diào)節(jié)法，在并聯(lián)逆變器的連線線路阻抗不同時，采用該方法自動調(diào)節(jié)虛擬阻抗，能改善功率分配精度和有效抑制環(huán)流。

附圖說明

圖1為兩臺逆變器并聯(lián)運行的簡化電路圖，圖中其中L為連線電感；R為連線電阻；Z_o為負(fù)載；V_o1∠δ₁為第一逆變器的輸出電壓向量，V_o2∠δ₂為逆變器2的輸出電壓向量；V_g∠0為交流母線的電壓向量；I₁∠θ₁為第一逆變器的輸出電流向量，I₂∠θ₂為第二逆變器的輸出電流向量。

圖2為實施例中逆變器控制結(jié)構(gòu)框圖。

圖3為在X₁/X₂＞2情況下，加入可調(diào)節(jié)虛擬阻抗之后，可調(diào)節(jié)虛擬阻抗對阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)的工作原理圖；圖中：X₁和X₂為逆變器的等效連線感抗；I₁和I₂是逆變器的輸出無功電流；Q₁和Q₂為逆變器的輸出無功功率。

圖4為在X₁/X₂＞2情況下，加入可調(diào)節(jié)虛擬阻抗之后，可調(diào)節(jié)虛擬阻抗對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的工作原理圖。

圖5為在X₁/X₂＜2情況下，加入可調(diào)節(jié)虛擬阻抗之后，可調(diào)節(jié)虛擬阻抗對阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)的工作原理圖。

圖6為在X₁/X₂＜2情況下，加入可調(diào)節(jié)虛擬阻抗之后，可調(diào)節(jié)虛擬阻抗對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的工作原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

當(dāng)n臺不等容逆變器并聯(lián)運行，由于實際工作中δ_i通常較小，因此可以近似認(rèn)為sinδ_i＝δ_i,cosδ_i＝1，第i臺逆變器輸出有功功率P_i和無功功率Q_i的表達(dá)式分別為：

其中L_i為連線電感；R_i為連線電阻；V_oi為逆變器輸出電壓；V_g為交流母線電壓；δ_i為輸出電壓相位；i＝1,2,...,n。當(dāng)加入連線電感，線路等效阻抗呈主感性時，即滿足ωL_i＞＞R_i時，可以近似地認(rèn)為有功功率P_i僅與功率角δ_i有關(guān)，無功功率Q_i僅與電壓幅值V_oi有關(guān)；由此，可得簡化后的功率表達(dá)式：

由上式可以看出，當(dāng)?shù)刃Ь€路呈感性時，有功功率P_i與頻率ω_i、無功功率Q_i與電壓幅值V_i分別呈線性關(guān)系：

ω_i＝ω^*-k_piP_i

V_i＝V^*-k_qiQ_i

式中，ω^*和V^*分別為參考頻率和參考電壓，k_p和k_q分別為有功下垂系數(shù)和無功下垂系數(shù)。對于n臺不同容量的逆變器，若要實現(xiàn)按比例分擔(dān)負(fù)荷，則需要滿足：

k_p1P₁＝k_p2P₂＝…＝k_pnP_n

k_q1Q₁＝k_q2Q₂＝…＝k_qnQ_n

假設(shè)這n臺逆變器對應(yīng)的容量比為k₁:k₂:…:k_n；設(shè)第m臺逆變器和第r臺逆變器之間的有功環(huán)流P_{cc_mr}表達(dá)式和無功環(huán)流Q_{cc_mr}表達(dá)式分別為：

Q_{cc_mr}＝k_rQ_m-k_mQ_r＝3[k_rV_om(V_om-V_g)/2X_m-k_mV_or(V_or-V_g)/2X_r]

其中P_{cc_mr}和Q_{cc_mr}分別為有功和無功環(huán)流，X為逆變器連線感抗。由有功環(huán)流P_{cc_mr}和無功環(huán)流Q_{cc_mr}表達(dá)式可知，如果通過控制器設(shè)計能使得逆變器等效阻抗?jié)M足X_m/X_r＝k_r/k_m，同時輸出電壓幅值V_om＝V_or、相位δ_m＝δ_r，便能夠較好地實現(xiàn)功率分配和環(huán)流抑制。

在穩(wěn)態(tài)運行時，抑制系統(tǒng)環(huán)流和精確分配功率都需要并聯(lián)逆變器輸出電壓相等。結(jié)合無功下垂和無功功率表達(dá)式，可得輸出電壓表達(dá)式：

根據(jù)上式可得，在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，從消除并聯(lián)逆變器電壓偏差考慮，需要X_m/k_qm＝X_r/k_qr成立。綜上，無論是從環(huán)流抑制還是電壓偏差角度考慮，都需要保證輸出阻抗與額定容量成反比。

在實際運行當(dāng)中，由于有功功率控制回路中積分環(huán)節(jié)的存在，相位條件即頻率條件容易滿足，系統(tǒng)穩(wěn)定運行時頻率會達(dá)到同步，此時有以下條件成立：

ω_m＝ω_r

-k_piP_i＝ω_i-ω*＝const

所以有功功率只需要設(shè)定下垂系數(shù)成比例就可以實現(xiàn)按容量比例分擔(dān)負(fù)荷有功。而無功功率控制回路由于缺少積分環(huán)節(jié)，則需要設(shè)計等效阻抗與容量成反比來實現(xiàn)無功功率按比例分配。

為了使逆變器等效阻抗達(dá)到上述的比例關(guān)系，本實施例可抑制并聯(lián)運行逆變器環(huán)流的虛擬阻抗在線調(diào)節(jié)法，在逆變器控制結(jié)構(gòu)中加入可調(diào)節(jié)的虛擬阻抗，通過調(diào)節(jié)函數(shù)調(diào)節(jié)虛擬阻抗，所述調(diào)節(jié)函數(shù)為：

所述調(diào)節(jié)函數(shù)中：X_v為加入的虛擬感抗；X_set為第一逆變器的虛擬感抗初始設(shè)定值，第一逆變器為并聯(lián)運行的n個逆變器中被任意選定的一個且額定容量被作為基準(zhǔn)的逆變器；k₁,k₂,...,k_n為逆變器額定容量比；k_v為阻抗調(diào)節(jié)系數(shù)；Q_set為第一逆變器的無功功率設(shè)定值；Q_n是逆變器輸出的無功功率值。

調(diào)節(jié)函數(shù)中，以第一逆變器為參考，可將Q_set取為第一逆變器所需要負(fù)擔(dān)的無功負(fù)荷，即：

式中，Q_max為逆變器可以輸出的最大無功功率值。當(dāng)Q_i＝0時，X_vi取得最小值X_vimin；當(dāng)Q_i＝Q_max時，X_vi取得最大值X_vimax。假定實際連線感抗為X_0i且等效連線感抗X_i需滿足X_min＜X_i＜X_max，則可調(diào)節(jié)虛擬阻抗的限制條件為：

X_max和X_min分別是維持系統(tǒng)穩(wěn)定和滿足電壓降落限制的連線電感值的上下限。根據(jù)實際并聯(lián)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，代入計算可以得到k_v和X_set的取值。

由調(diào)節(jié)函數(shù)可知，虛擬感抗值會隨著逆變器輸出無功功率的變化而進(jìn)行調(diào)節(jié)，目標(biāo)是使并聯(lián)逆變單元的等效阻抗與容量成反比。因此在并聯(lián)逆變器的連線線路阻抗不同時，采用本實施例方法自動調(diào)節(jié)虛擬阻抗，能改善功率分配精度和有效抑制環(huán)流。

下面以兩臺容量比為1:2的并聯(lián)逆變器為例，結(jié)合附圖詳細(xì)說明可調(diào)節(jié)虛擬阻抗的工作原理和調(diào)節(jié)過程。

圖2為本實施例中逆變器控制結(jié)構(gòu)框圖。本實施例中采用二次廣義積分SOGI構(gòu)造虛擬阻抗。對輸出電壓和輸出電流進(jìn)行采樣，經(jīng)過dq變換計算出瞬時有功功率和無功功率，并經(jīng)過一階低通濾波器進(jìn)行濾波，得到平均有功功率P和平均無功功率Q。經(jīng)過有功下垂和無功下垂得到頻率指令ω_droop和d軸電壓指令u_droop。令q軸電壓指令為0，根據(jù)d軸電壓指令u_droop，經(jīng)過虛擬阻抗算法得到輸出電壓閉環(huán)d軸指令和輸出電壓閉環(huán)q軸指令。將輸出電壓閉環(huán)d軸指令和輸出電壓閉環(huán)q軸指令經(jīng)過電壓閉環(huán)控制方程，得到d軸電感電流指令和q軸電感電流指令。將d軸電感電流指令和q軸電感電流指令經(jīng)過電流閉環(huán)控制方程，便可得到dq坐標(biāo)系下的調(diào)制波，然后經(jīng)過SVPWM調(diào)制后作為IGBT電路的驅(qū)動信號。

圖3、圖4為在X₁/X₂＞2情況下，加入可調(diào)節(jié)虛擬阻抗前后，兩臺逆變器的無功功率調(diào)節(jié)過程；圖中實線①和實線②分別表示第一逆變器和第二逆變器的無功下垂關(guān)系，實線③和實線④為輸出電壓V_n與母線電壓V_pcc和線路阻抗X_n之間的關(guān)系；從圖中可知，由于等效線阻抗與逆變器額定無功功率不成反比，第一逆變器承擔(dān)無功功率小于第二逆變器承擔(dān)無功功率的一半，并聯(lián)逆變器輸出電壓存在偏差，系統(tǒng)存在較大的無功功率環(huán)流。

當(dāng)加入可調(diào)節(jié)虛擬阻抗方法之后，在并聯(lián)過程中各模塊均按照調(diào)節(jié)函數(shù)對虛擬阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)。第一逆變器的虛擬阻抗調(diào)節(jié)量為X_v1，第二逆變器的虛擬阻抗調(diào)節(jié)量為X_v2，由調(diào)節(jié)函數(shù)可得，X_v1＜2X_v2?？梢?，在調(diào)節(jié)過程中，X₁+X_v1和X₂+X_v2逐漸向(X₁+X_v1)＝2(X₂+X_v2)趨近。在加入可調(diào)節(jié)虛擬阻抗前后，認(rèn)為系統(tǒng)的無功負(fù)載保持不變，即Q₁+Q₂＝Q₁′+Q₂′，則兩條虛線最終移動到圖4所示的⑤和⑥，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)工作點；在實際工作中，圖3和圖4的調(diào)節(jié)作用是同時進(jìn)行的，文中為了便于分析而將其抽象為兩個過程；對比圖3與圖4可知，在X₁/X₂＞2的情況下，調(diào)節(jié)后兩個并聯(lián)單元的輸出電壓差明顯減小，無功功率分配精度有所改善，無功環(huán)流得到抑制。在相同負(fù)載下，交流母線電壓V_pcc的跌落情況相對于傳統(tǒng)的虛擬阻抗控制方法也有所改善。在X₁/X₂＜2情況下的調(diào)節(jié)過程如圖5和圖6所示，其分析與圖3和圖4一致，就不贅述。由于X₁/X₂＝2的情況下，滿足無功功率精確分配的條件，無需加入虛擬阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以在此不作討論。綜上可得，無論第一逆變器和第二逆變器之間的線路阻抗之間呈何種關(guān)系，可調(diào)節(jié)虛擬阻抗的方法都能夠適用。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。