孤立微網單相多逆變器並聯繫統及其分布式控制方法與流程
2023-11-09 10:30:27
本發明涉及多並聯逆變器，特別是一種孤立微網單相單相多逆變器並聯繫統及其分布式控制方法。
背景技術：
微電網作為智能電網的關鍵技術之一，可有效解決分布式電源因位置分散、形式多樣、特點各異而對主網和用戶造成的衝擊，實現對分布式電源的有效整合和高效利用，近年來受到了廣泛關注。在微網運行於孤島模式下，需要多臺逆變器並聯運行，共同作為組網元件為獨立微電網提供電壓和頻率支撐。
但在多臺逆變器並聯繫統中，由於每臺逆變器的等效輸出阻抗和到負荷連接點的線路阻抗都存在差異，影響了其功率分配的精度。尤其是在負荷突變和從網元件如光伏、風機發電波動的情況下，不僅要維持負荷連接點的電壓、頻率穩定，還要保證有功、無功功率的精確分配。因此，制定有效的協調控制策略，是確保多逆變器並聯的微電網系統穩定運行，實現功率均分、減少能量損失的關鍵。
目前，多逆變器並聯運行控制策略主要分為主從控制和對等控制兩種方法。主從控制要求組網單元必須擁有足夠的容量裕度，這極大限制了微電網的規模和系統擴容，並且在控制上需要互聯線，降低了系統的可靠性。有互連線的對等控制策略對通訊的實時性要求較高，在面臨信號幹擾和衰減嚴重等問題時，控制性能難以保障。
目前最為流行的是無互連線的對等控制，主要指功率下垂控制，通過借鑑同步發電機的自同步和電壓下垂特性，實現微源間無互聯線的功率分配。近年來，各種基於傳統下垂控制的改進方法被相繼提出。但是，現有的電壓控制環中大多採用比例積分(PI)控制器，限制了系統的動態響應速度，而加入虛擬阻抗和附加反饋環會造成系統控制結構的複雜和參數整定困難，影響控制效果。
因此，需要提出一種新型的分布式控制策略，對微電網中並聯逆變器系統進行無通信或極少通信協同控制(無並聯逆變器投切，不需要通信，而當有並聯逆變器投切時只需更新系統內並聯逆變器的總臺數)。在系統獨立運行時，該策略可以有效地抑制各逆變器輸出電流間的誤差，並在光伏發電功率波動或負載發生變化時，快速維持電壓、頻率穩定，同時實現功率的精確分配，以確保光-儲微電網系統的可靠運行。
技術實現要素：
為了克服上述現有技術的不足，本發明提供孤立微網單相多逆變器並聯繫統及其分布式控制方法。該方法能夠在無或極少通信線的條件下基於本地信息進行控制，並且易於實現，在確保孤立微網交流母線電壓穩定的情況下，能夠精確分配負荷功率，抑制電流分配誤差。並且動態響應迅速，在發電側發生波動或負荷發生改變時，快速維持電壓、頻率穩定，保證了微電網系統的可靠運行。
為達到上述目的，本發明的技術解決方案如下：
一種孤立微網單相多逆變器並聯繫統，其特點在於，該系統包括n臺並聯的單相逆變器、單相負載和交流母線，其中n為大於2的正整數，每一臺並聯的單相逆變器包括主電路和控制電路，所述的主電路包括分布式直流電源、單相逆變電路、濾波電路等效電阻、濾波電感、濾波電容，所述的分布式直流電源為直流電壓源；所述的單相逆變電路的輸入端與所述的分布式直流電源相連；所述的分布式直流電源輸出的直流電經單相逆變電路後得到單相交流電，經所述的濾波電路的等效電阻、濾波電感和濾波電容後連接至所述的交流母線的火線和零線；
所述的控制電路包括觀測器、分布式控制器、第一比例放大器、第二比例放大器、第三比例放大器、第四比例放大器、第五比例放大器和正弦脈寬調製模塊，所述的第一比例放大器、第二比例放大器、第三比例放大器、第四比例放大器和第五比例放大器的比例放大係數分別為：q、1/C、LkCk、Rk、1/Vdck。
所述的孤立微網單相多逆變器並聯繫統的分布控制方法，該控制方法是每一臺並聯的單相逆變器進行自我控制，第k臺單相併聯儲能逆變器逆變器都按如下步驟進行控制，其中k為1、2、3、…、或n：
1)第k臺單相逆變器的控制電路經第一輸入端採集交流母線電壓vo，與給定的參考電壓值vref做差，得到跟蹤誤差信號ev＝vo-vref；
2)按下列公式計算濾波跟蹤誤差信號並輸入所述的分布式控制器的第一輸入端：
<![CDATA[ E ^ = qe v + dv r e f + v ^ o ]]>
其中，qev是所述的跟蹤誤差信號ev經放大比例係數為k的第一比例放大器放大後的值，dvref為參考電壓的微分值，所述的交流母線電壓vo經觀測器得到的精確的微分估計值ko為觀測器的增益；
3)所述的控制電路經第二輸入端採集第k臺逆變器的電感電流ik，經放大比例係數為1/C的第二比例放大器的放大後為ik/C，輸入所述的分布式控制器的第二輸入端；所述的C由算式計算，所述Ck為第k臺單相逆變器的濾波電容的估計值；
4)所述的分布式控制器按下列公式計算並輸出第三控制變量uk：
<![CDATA[ u k ( t ) = - q i k ( t ) C - 1 n ( α + k s ) E ^ ( t ) - q v r e f ( t ) - v r e f ( t ) - 1 n 0 t ( αk s + 1 ρ ) E ^ ( τ ) d τ ]]>
其中，n為並聯逆變器的總數，α、ks、ρ均為用戶自定義大於零的參數，為所述的參考電壓一階導數，dvref為參考電壓的一階微分；為參考電壓二階導數，表示為：
第三控制變量uk經放大比例係數為LkCk的第三比例放大器放大後得第四控制變量LkCk uk，LkCk為第k臺單相逆變器的濾波電感Lk和濾波電容Ck的估計值的積；
所述的電感電流ik經放大比例係數為Rk的第四比例放大器的放大值為Rk ik，Rk為第k臺單相逆變器的濾波等效電阻的估計值；
按下列公式計算調製波信號vck：
vck＝LkCkuk+Rkik+v0；
5)所述的調製波信號vck經依次的放大比例係數為1/Vdck的第五比例放大器和正弦脈寬調製模塊得到的4路控制脈衝波S1、S2、S3、S4，輸入第k臺單相逆變器的單相逆變電路進行控制。
所述的觀測器內部算式如下：
<![CDATA[ v ^ o = k o ( v o - v ^ o ) ]]>
其中，和分別為和vo的估計值，ko為觀測器的增益，根據獲得實時更新，定義觀測器的輸出誤差為：
<![CDATA[ e 1 = v o - v ^ o ; e 2 = v o - v ^ o ]]>
通過設置足夠大的觀測器的增益ko，可使觀測器輸出誤差調節到系統允許的範圍內；
本發明的有益效果在於：
針對獨立運行模式下的含有多逆變器並聯的微電網系統，本發明的控制方法可在無通信或極少通信的情況下，保證多並聯逆變器系統作為組網單元，提供穩定的系統電壓和頻率，且對逆變器主電路參數差異引起的電流分配誤差具有很好的抑制作用。在從網元件如光伏、風機發電波動或負荷發生突變時，能夠在保證微電網系統在孤島模式下穩定運行的同時，快速、有效地實現功率的精確均分，為進一步提升供電的可靠性提供保障。
附圖說明
圖1是本發明孤立微網單相多逆變器並聯繫統的主電路和控制電路原理示意圖。
圖2是本發明所述微電網一次系統示意圖。
圖3是本發明負載突變下的仿真結果圖，包括：
圖3(a)是本發明並聯逆變器系統、光伏系統和負載有功功率波形；
圖3(b)是本發明3臺逆變器發出有功功率波形；
圖3(c)是本發明並聯逆變器系統輸出電壓電流波形；
圖3(d)是本發明並聯逆變器輸出電流分配誤差圖。
圖4是本發明光伏發電波動下的仿真結果圖，包括：
圖4(a)是本發明並聯逆變器系統、光伏系統和負載有功功率波形；
圖4(b)是本發明3臺逆變器各自輸出電流波形；
圖4(c)是本發明並聯逆變器輸出電流分配誤差圖。
具體實施方式
結合實施例和附圖進一步說明本發明的技術方案，但不應以此限制本發明的保護範圍。如本實施案例以儲能逆變器作為本發明控制策略的具體實施對象，但不應以此限制本發明的應用範圍。
如圖1是本發明多並聯逆變器分布式控制系統原理圖，包括單臺逆變器主電路1、控制電路2、其餘n-1臺並聯逆變器及其控制電路3以及單相負載9和交流母線10五部分。
單臺逆變器的主電路1包括分布式直流電源4、單相H橋型逆變橋電路5、濾波電路等效電阻6、濾波電感7、濾波電容8。
控制電路2包括觀測器11、分布式控制器12、不同係數的比例放大器13～16、比例放大器17、正弦脈寬調製模塊18。
所述單臺逆變器1與其餘n-1臺逆變器以及單相負載9之間互為並聯關係，共同連接至交流母線10的正、負線；所述分布式直流電源4作為直流電壓源；所述單相H型逆變橋電路5的輸入端與分布式直流電源4相連；分布式直流電源4輸出的直流電經單相逆變電路5後得到單相交流電，經所述的濾波電路的等效電阻6、濾波電感7後連接至交流母線10，所述的濾波電容8並聯的網絡後與交流母線10相連。
所述控制電路2接受採集交流母線10的電壓vo以及濾波電感7上的電流值i1，本發明孤立微電網多並聯逆變器的控制方法，包括下列步驟：
所述的交流母線電壓vo與設定的參考電壓值vref做差，其中參考電壓值vref＝Vsin(ωt)，V表示參考電壓的幅值，ω表示參考電壓的角頻率，初始相位設為0，得到電壓跟蹤誤差ev，經放大係數為k的比例放大器13，得到第一控制變量kev，交流母線電壓vo通過觀測器11得到精確的微分估計值
<![CDATA[ v ^ o = k o ( v o - v ^ o ) ]]>
其中，和分別為和vo的估計值，ko為觀測器的增益，根據獲得實時更新。定義觀測器的輸出誤差為：
<![CDATA[ e 1 = v o - v ^ o ; e 2 = v o - v ^ o ]]>
通過設置足夠大的觀測器的增益ko，可使觀測器輸出誤差調節到系統允許範圍內。
參考電壓的一階微分表示為dvref＝Vωcos(ωt)，與上述交流母線電壓微分估計值以及控制變量kev相加，得到跟蹤誤差變量
所述電感電流i1經第二放大比例放大器14的放大(比例係數為1/C)後，得到第二控制變量i1/C，與共同作為分布式控制器12的輸入，經分布式控制器12輸出第三控制變量u1：
<![CDATA[ u 1 ( t ) = - q i 1 ( t ) C - 1 n ( α + k s ) E ^ ( t ) - q v r e f ( t ) - v r e f ( t ) - 1 n 0 t ( αk s + 1 ρ ) E ^ ( τ ) d τ ]]>
其中，n為並聯逆變器總數，α、ks、ρ均為用戶自定義大於零的參數，為設定的參考電壓一階導數，dvref參考電壓的一階微分；為設定的參考電壓二階導數，表示為：
第三控制變量u1經第三比例放大器15(放大係數為L1C1)，得到第四控制變量L1C1u1；所述的電感電流i1經放大係數為R1的第四比例放大器16，得到第五控制變量R1i1；所述交流母線電壓vo與第四控制變量L1C1u1，第五控制變量R1i1相加，得到調製波信號vc1，該調製波信號vc1經第五比例放大器17後，輸入正弦波矢量調製模塊18，得到四路脈衝信波S1、S2、S3、S4，輸入並控制所述的單相H橋型逆變電路5。
其餘並聯逆變器3均採用相同的控制算法，基於本地信息即可實現分布式協同控制。
現利用Matlab/Simulink搭建了3臺儲能逆變器和1臺光伏逆變器並聯繫統仿真模型，並模擬負荷突變和光伏發電波動兩種實際工況，對所提控制算法進行檢驗。如圖2所示。
圖2中19～21為三臺並聯儲能逆變系統，22為兩級式光伏逆變系統，23為交流電網，24為併網開關，25為單相負載。
工況1：系統初始時刻與電網相連並空載運行，在0.1s時刻系統脫離電網轉為獨立運行模式，但仍為空載運行狀態，在0.2s時刻併入3kW負載，0.4s時增加1.5kW負載。光伏系統輸出功率不變，穩定在1kW左右，3臺單相逆變器同時運行。仿真結果如圖3所示。PPV代表光伏輸出功率；Pload代表負載功率；PS1、PS2、PS3分別代表3臺單相逆變器的輸出功率。
從圖3(a)可以看出，0.1s至0.2s，光伏系統輸出功率大於負載功率，儲能系統充電，0.2s之後，負載功率大於光伏系統輸出功率，儲能系統放電，0.4s時負載突變，儲能系統的輸出功率也相應增大。整個過程中，3臺儲能系統可以快速、準確地配合光伏發電系統對負荷供電，隨著負荷功率的增加，逆變器有功輸出平穩。從圖3(b)可以看出，儲能系統的輸出功率做到了精確分配。圖3(c)為三臺單相逆變器各自的輸出電流和負荷連接點處電壓波形，通過局部放大圖可以看出，在0.2s時電流方向發生改變，儲能系統由放電狀態改為充電狀態；在0.4s時，由於功率缺額的增大，電流幅值也變大，整個過程電流變化平穩、無抖動，系統動態效果良好；且輸出電壓穩定，保證了整個光-儲微電網系統的可靠運行。圖3(d)展現了三臺單相逆變器兩兩電流差值，可以看到電流分配誤差始終處於0.4A以內，抑制效果顯著。
工況2：系統在0.1s之前併網運行，在0.1s時刻脫離電網獨立運行，負載始終為3kW。模擬光照強度發生改變引起光伏系統的輸出功率產生波動，0.1s至0.2s光伏輸出功率為1kW；0.2s至0.3s上升至1.5kW；0.3s至0.4s輸出功率繼續上升到2kW，0.4s至0.5s輸出功率下降到1.2kW。
系統的有功功率波形如圖4(a)所示。可以看出，在負載不變時，儲能系統輸出功率隨光伏輸出功率的改變而變化，始終保持了穩定供電水平。圖4(b)說明並聯逆變器輸出電流分配效果良好，動態響應迅速。圖4(c)所示的電流分配誤差波形(0.4A以內)進一步說明了該控制策略在均流方面的有效性。
由此可見，光-儲微電網在獨立運行模式下，採用所提控制策略設計的多逆變器並聯繫統具有良好的功率分配精度和瞬時均流能力，系統的動態響應迅速，且並聯儲能系統作為組網單元，時刻滿足電壓、頻率穩定的要求。