一種基於虛擬變壓器的逆變器並聯控制方法與流程
2023-06-26 21:56:36 2
本發明涉及變換器控制領域，尤其涉及一種逆變器並聯運行的控制方法。
背景技術：
微電網可以聯網運行，也可以在電網故障時孤島運行，不間斷地為重要負荷供電。這樣微電網不但不會威脅大電網，還可以提高供電的可靠性和電能質量。而單臺逆變器運行時，逆變器的容量會受到限制，因此逆變器的並聯技術是微網發展的關鍵技術。
目前對於逆變器並聯的控制方法有很多種，從逆變器之間的控制信息交換模式和連線方式來看，分為有互連線和無互連線兩種控制方式。有互連線的控制方式需要並聯逆變器之間進行信息交換和傳遞，控制複雜。無互連線的控制不需要並聯逆變器之間進行信息交換並聯結構簡單可靠，當其中一臺出現故障時對其他並聯逆變器的並聯運行沒有影響。逆變器並聯的常用的主要控制方式有以下幾種：集中控制、主從控制、分散控制、下垂控制和基於虛擬同步發電機的並聯控制。
在無互連線並聯繫統中最常用的並聯方式是下垂控制，它可以實現逆變器的「即插即用」的特點但是該方法存在穩態時並聯逆變器的輸出電壓和頻率的偏移的問題。虛擬同步發電機是參照同步發電機的二階經典數學模型，模擬同步發電機阻抗大、慣性大、自同步等諸多優點，使逆變電源具有同步發電機的輸出特性，滿足微電網的運行要求。但是基於虛擬同步發電機並聯時需要對勵磁及機械轉矩進行考慮。
上述控制策略雖然能夠實現對逆變器並聯的穩定運行，但會使並聯逆變器控制複雜和輸出電壓和頻率出現偏差甚至導致系統可靠性降低。
技術實現要素：
本發明目的在於提供一種控制簡單、運行安全、減少環流的基於虛擬變壓器的逆變器並聯控制方法。
為實現上述目的，採用了以下技術方案：本發明所述控制方法採用虛擬變壓器環節進行逆變器並聯控制，將有源功率變換部件等效為無源功率變換部件進行控制，虛擬變壓器環節中包含有與真實變壓器外特性和變壓器並聯特性相一致的物理表達式，虛擬變壓器環節通過物理表達式生成逆變器的調製算法用以控制逆變器電力電子器件的開關動作；當並聯逆變器工作在孤島模式時選擇PQ下垂控制獲得並聯逆變器的輸出電壓幅值和相位；當並聯逆變器工作在併網模式時選擇鎖相環控制獲得並聯逆變器的輸出電壓幅值和相位；通過加入虛擬阻抗來控制並聯逆變器的閉環輸出阻抗使之與並聯逆變器容量相匹配，完成對並聯逆變器進行控制。
進一步的，採用虛擬變壓器環節的算法，產生並聯逆變器控制所需的調製波，通過控制逆變器調製波的幅值、相位和頻率，確定並聯逆變器開關器件的驅動波形，以使各個並聯逆變器的調製波的相位、幅值和頻率一致，減小並聯逆變器之間的環流。
進一步的，採用虛擬變壓器環節的算法，產生並聯逆變器控制所需的載波，通過載波與調製波及逆變器輸入輸出物理量之間的函數關係，保持調製波不變，對載波的幅值、周期、和載波的上升度和下降度波形特徵進行調節，對並聯逆變器進行控制。
進一步的，採用虛擬變壓器環節的算法，產生並聯逆變器控制所需的載波，通過載波與調製波及逆變器輸入輸出物理量之間的函數關係，使調製波和載波均進行幅值、周期、和波形的動態變化，對並聯逆變器進行控制。
進一步的，採用虛擬變壓器控制，將真實的變壓器並聯時需要對各個變壓器的容量按照短路阻抗標么值成反比關係的特性，對應控制逆變器並聯時通過加入虛擬阻抗控制並聯逆變器的閉環輸出阻抗以使並聯逆變器按容量分配比例分擔負載。
進一步的，所述並聯逆變器拓撲由多組逆變器系統依次級聯組成，每組逆變器系統由直流電壓源、三相逆變器、LC濾波器、線路阻抗、負載依次連接構成。
進一步的，所述並聯逆變器由逆變器A和逆變器B並聯組成；所述逆變器A由直流電壓源Vdc1、第一開關管Sa1、第二開關管Sa2、第三開關管Sa3、第四開關管Sa4、第五開關管Sa5、第六開關管Sa6、第一電感La1、第二電感Lb1、第三電感Lc1、第一電容Ca1、第二電容Cb1、第三電容Cc1、第一阻抗ZLa1、第二阻抗ZLb1、第三阻抗ZLc1、第一負載Ra、第二負載Rb、第三負載Rc組成；
直流電壓源Vdc1的正極分別與第一開關管Sa1、第三開關管Sa3、第五開關管Sa5的集電極相連，直流電壓源Vdc1的負極分別與第二開關管Sa2、第四開關管Sa4、第六開關管Sa6的發射極相連；
第一開關管Sa1的發射極與第二開關管Sa2的集電極相連後與第一電感La1的一端相連組成第一橋臂，第一電感La1的另一端分別與第一阻抗ZLa1的一端、第一電容Ca1的一端相連，第一阻抗ZLa1的另一端與第一負載Ra的一端相連，第一負載Ra的另一端分別與第二負載Rb、第三負載Rc相連，第一電容Ca1的另一端分別與第二電容Cb1、第三電容Cc1一端相連；
第三開關管Sa3的發射極與第四開關管Sa4的集電極相連後與第二電感Lb1的一端相連組成第二橋臂，第二電感Lb1的另一端分別與第二阻抗ZLb1的一端、第二電容Cb1的一端相連，第二阻抗ZLb1的另一端與第二負載Rb的一端相連，第二負載Rb的另一端分別與第一負載Ra、第三負載Rc相連；第二電容Cb1的另一端分別與第一電容Ca1、第三電容Cc1一端相連；
第五開關管Sa5的發射極與第六開關管Sa6的集電極相連後與第三電感Lc1的一端相連組成第三橋臂，第三電感Lc1的另一端分別與第三阻抗ZLc1的一端、第三電容Cc1的一端相連，第三阻抗ZLc1的另一端與第三負載Rc的一端相連，第三負載Rc的另一端分別與第一負載Ra、第二負載Rb相連；第三電容Cc1的另一端分別與第一電容Ca1、第二電容Cb1一端相連；
所述逆變器B由直流電壓源Vdc2、第一開關管Sb1、第二開關管Sb2、第三開關管Sb3、第四開關管Sb4、第五開關管Sb5、第六開關管Sb6、第一電感La2、第二電感Lb2、第三電感Lc2、第一電容Ca2、第二電容Cb2、第三電容Cc2、第一阻抗ZLa2、第二阻抗ZLb2、第三阻抗ZLc2組成；
直流電壓源Vdc2的正極分別與第一開關管Sb1、第三開關管Sb3、第五開關管Sb5的集電極相連，直流電壓源Vdc2的負極分別與第二開關管Sb2、第四開關管Sb4、第六開關管Sb6的發射極相連；
第一開關管Sb1的發射極與第二開關管Sb2的集電極相連後與第一電感La2的一端相連組成第一橋臂，第一電感La2的另一端分別與第一阻抗ZLa2的一端、第一電容Ca2的一端相連，第一阻抗ZLa2的另一端分別與第一負載Ra的一端、逆變器A中第一阻抗ZLa1的一端相連，第一電容Ca2的另一端分別與第二電容Cb2、第三電容Cc2一端相連；
第三開關管Sb3的發射極與第四開關管Sb4的集電極相連後與第二電感Lb2的一端相連組成第二橋臂，第二電感Lb2的另一端分別與第二阻抗ZLb2的一端、第二電容Cb2的一端相連，第二阻抗ZLb2的另一端分別與逆變器A中的第二阻抗ZLb1一端、第二負載Rb一端相連；第二電容Cb2的另一端分別與第一電容Ca2、第三電容Cc2一端相連；
第五開關管Sb5的發射極與第六開關管Sb6的集電極相連後與第三電感Lc2的一端相連組成第三橋臂，第三電感Lc2的另一端分別與第三阻抗ZLc2的一端、第三電容Cc2的一端相連，第三阻抗ZLc2的另一端分別與逆變器A中的第三阻抗ZLc1一端、第三負載Rc的一端相連；第三電容Cc2的另一端分別與第一電容Ca2、第二電容Cb2一端相連；
逆變器A的第一橋臂與逆變器B的第一橋臂並聯；逆變器A的第二橋臂與逆變器B的第二橋臂並聯；逆變器A的第三橋臂與逆變器B的第三橋臂並聯；以此類推組成依次級聯的並聯逆變器結構。
本發明方法的控制原理為：由於電力系統中變壓器並聯時需要滿足的條件與逆變器並聯運行需要滿足的條件兩者相一致，因此可以將變壓器並聯的控制原理經過控制理論應用到逆變器控制中。對於變壓器並聯時需要保持各個變壓器的額定電壓和電壓比相等以及變壓器的連接組號相同的條件對應於逆變器並聯中可以通過下垂控制或者鎖相環獲得並聯逆變器的輸出電壓幅值和相位使之保持一致；對於變壓器並聯時需要保持各個變壓器的短路阻抗標么值相等在逆變器並聯中可以通過加入虛擬阻抗來控制並聯逆變器的閉環輸出阻抗使並聯逆變器按容量分配比例均分負載，減小並聯逆變器系統之間的環流。
與現有技術相比，本發明方法具有如下優點：
1、借鑑變壓器外特性、變壓器並聯特性、控制理論的相關方法將變壓器並聯的控制方法引入到逆變器並聯控制中來，完成對並聯逆變器的控制。
2、將有源逆變器元件等效為無源變壓器元件進行控制，使逆變器並聯控制更為簡單，而且還可以減小並聯逆變器系統之間的環流。
附圖說明
圖1為本發明方法的並聯逆變器主電路拓撲圖。
圖2為本發明方法中兩臺變壓器的並聯運行原理圖。
圖3為本發明方法的控制框圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明：
如圖1所示，所述並聯逆變器由逆變器A和逆變器B並聯組成；所述逆變器A由直流電壓源Vdc1、第一開關管Sa1、第二開關管Sa2、第三開關管Sa3、第四開關管Sa4、第五開關管Sa5、第六開關管Sa6、第一電感La1、第二電感Lb1、第三電感Lc1、第一電容Ca1、第二電容Cb1、第三電容Cc1、第一阻抗ZLa1、第二阻抗ZLb1、第三阻抗ZLc1、第一負載Ra、第二負載Rb、第三負載Rc組成；
直流電壓源Vdc1的正極分別與第一開關管Sa1、第三開關管Sa3、第五開關管Sa5的集電極相連，直流電壓源Vdc1的負極分別與第二開關管Sa2、第四開關管Sa4、第六開關管Sa6的發射極相連；
第一開關管Sa1的發射極與第二開關管Sa2的集電極相連後與第一電感La1的一端相連組成第一橋臂，第一電感La1的另一端分別與第一阻抗ZLa1的一端、第一電容Ca1的一端相連，第一阻抗ZLa1的另一端與第一負載Ra的一端相連，第一負載Ra的另一端分別與第二負載Rb、第三負載Rc相連，第一電容Ca1的另一端分別與第二電容Cb1、第三電容Cc1一端相連；
第三開關管Sa3的發射極與第四開關管Sa4的集電極相連後與第二電感Lb1的一端相連組成第二橋臂，第二電感Lb1的另一端分別與第二阻抗ZLb1的一端、第二電容Cb1的一端相連，第二阻抗ZLb1的另一端與第二負載Rb的一端相連，第二負載Rb的另一端分別與第一負載Ra、第三負載Rc相連；第二電容Cb1的另一端分別與第一電容Ca1、第三電容Cc1一端相連；
第五開關管Sa5的發射極與第六開關管Sa6的集電極相連後與第三電感Lc1的一端相連組成第三橋臂，第三電感Lc1的另一端分別與第三阻抗ZLc1的一端、第三電容Cc1的一端相連，第三阻抗ZLc1的另一端與第三負載Rc的一端相連，第三負載Rc的另一端分別與第一負載Ra、第二負載Rb相連；第三電容Cc1的另一端分別與第一電容Ca1、第二電容Cb1一端相連；
所述逆變器B由直流電壓源Vdc2、第一開關管Sb1、第二開關管Sb2、第三開關管Sb3、第四開關管Sb4、第五開關管Sb5、第六開關管Sb6、第一電感La2、第二電感Lb2、第三電感Lc2、第一電容Ca2、第二電容Cb2、第三電容Cc2、第一阻抗ZLa2、第二阻抗ZLb2、第三阻抗ZLc2組成；
直流電壓源Vdc2的正極分別與第一開關管Sb1、第三開關管Sb3、第五開關管Sb5的集電極相連，直流電壓源Vdc2的負極分別與第二開關管Sb2、第四開關管Sb4、第六開關管Sb6的發射極相連；
第一開關管Sb1的發射極與第二開關管Sb2的集電極相連後與第一電感La2的一端相連組成第一橋臂，第一電感La2的另一端分別與第一阻抗ZLa2的一端、第一電容Ca2的一端相連，第一阻抗ZLa2的另一端分別與第一負載Ra的一端、逆變器A中第一阻抗ZLa1的一端相連，第一電容Ca2的另一端分別與第二電容Cb2、第三電容Cc2一端相連；
第三開關管Sb3的發射極與第四開關管Sb4的集電極相連後與第二電感Lb2的一端相連組成第二橋臂，第二電感Lb2的另一端分別與第二阻抗ZLb2的一端、第二電容Cb2的一端相連，第二阻抗ZLb2的另一端分別與逆變器A中的第二阻抗ZLb1一端、第二負載Rb一端相連；第二電容Cb2的另一端分別與第一電容Ca2、第三電容Cc2一端相連；
第五開關管Sb5的發射極與第六開關管Sb6的集電極相連後與第三電感Lc2的一端相連組成第三橋臂，第三電感Lc2的另一端分別與第三阻抗ZLc2的一端、第三電容Cc2的一端相連，第三阻抗ZLc2的另一端分別與逆變器A中的第三阻抗ZLc1一端、第三負載Rc的一端相連；第三電容Cc2的另一端分別與第一電容Ca2、第二電容Cb2一端相連；
逆變器A的第一橋臂與逆變器B的第一橋臂並聯；逆變器A的第二橋臂與逆變器B的第二橋臂並聯；逆變器A的第三橋臂與逆變器B的第三橋臂並聯；以此類推組成依次級聯的並聯逆變器結構。
圖2為兩臺變壓器的並聯運行原理圖，該拓撲由電源U1、理想變壓器T1和T2、變壓器漏阻抗標么值ZkⅠ和ZkⅡ以及負載組成。I1、I1Ⅰ和I1Ⅱ分別為電源電流、變壓器T1和T2原邊電流，I2、I2Ⅰ和I2Ⅱ分別為負載電流變壓器T1和T2副邊電流。
當理想變壓器並聯運行時需要滿足以下三個條件：
條件1，各個並聯變壓器的額定電壓和電壓比必須相等；
條件2，各個並聯變壓器的聯結組號必須相同；
條件3，各個並聯變壓器的短路阻抗標么值和阻抗角需要相等。只有並聯變壓器同時滿足這三個條件時，並聯逆變器之間的環流才能消除。
虛擬變壓器並聯的控制算法如公式(1)所示：
當並聯變壓器的電壓比和組號相同、漏阻抗標么值不相同時並聯變壓器的負載分配電流與各個並聯變壓器的漏阻抗的標么值成反比，可如公式(2)所示。
圖3為基於虛擬變壓器的逆變器並聯控制框圖。並聯逆變器可以工作在孤島和併網兩種模式。當工作在併網模式下KM接觸器閉合逆變器接入電網，在控制電路中選擇模式1對並聯逆變器進行控制；當工作在孤島模式下KM接觸器斷開逆變器與電網斷開只給負載供電，在控制電路中選擇模式2對並聯逆變器進行控制。
模式1：當並聯逆變器工作在併網模式下，逆變器的電壓幅值和相位角的相信通過鎖相環獲得，鎖相環為並聯逆變器提供統一的相位和幅值，此過程是借鑑並聯器並聯時需要滿足條件1和條件2進行控制的，對於變壓器條件3的信息的獲得通過加入虛擬阻抗來實現的，加入的虛擬阻抗的比值應該與並聯逆變器的容量成反比。將通過鎖相環獲得的幅值u*和相位信息θ與虛擬阻抗控制獲得的uR經過虛擬變壓器控制就可以得到逆變器的調製波Mcontrol最終通過脈寬調製技術和驅動電路對並聯逆變器進行控制。
模式2：當並聯逆變器工作在孤島模式下，逆變器的電壓幅值和相位角的相信通過PQ控制獲得，通過對逆變器輸出電壓和電流採樣計算出逆變器的輸出的有功功率和無功功率然後再通過PQ下垂控制得到的相位和幅值，此後的控制與模態1相一致，最終對孤島狀態下的並聯逆變器進行控制。
對於並聯逆變器的控制不僅可以通過調節三相調製波的相位、幅值和頻率進行控制，還可以通過調節載波的幅值、周期、和載波的上升度和下降度特徵進行控制。當通過調節調製波信號時，將載波信號固定，通過調節調製波來控制並聯逆變器之間的環流。當通過調節載波信號時，將調製波信號固定，通過調節載波信號的幅值、周期、和載波的上升度和下降度來控制並聯逆變器之間的環流。採用虛擬變壓器環節的算法後還可以通過載波與調製波及逆變器輸入輸出物理量之間的函數關係，使調製波和載波均進行幅值、周期、和波形的動態變化，從而對並聯逆變器進行控制。
以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案做出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護範圍內。