逆變器的動態有功功率控制方法

2023-07-04 10:14:31 2

專利名稱：逆變器的動態有功功率控制方法
技術領域：
本發明涉及UPS並聯供電系統及分布式發電和微網系統領域，特別是一種逆變器
的動態有功功率控制方法。
背景技術：
在微網的孤島運行狀態下，對於有逆變器接口的電源，在無互聯信號線的情況下， 一般採用下垂控制進行功率的分配。在這種逆變器控制技術下，當微網由與主網聯網模式 切換至孤島模式，或在孤島模式下負載變化幅度過大時，系統的頻率會有大的偏移，這種偏 移不但可能使用戶設備穩定性下降，並且使同並聯的其它逆變器接口電源大幅偏離額定功 率。因此這種頻率偏移會導致電網穩定性的降低。 近年來用戶對電的需求量越來越大，原有的UPS系統可能已不能滿足現有的用戶 用電，這是就有UPS並聯問題，同樣，UPS無互聯線並聯後，在負載大幅變動時，會使得供電 頻率發生變化，對系統的穩定性產生影響。

發明內容
為了解決微網工作模式切換和微網孤島運行模式下負載大幅變化以及無互聯線 UPS並聯繫統中負載大幅變化時，對頻率產生的嚴重偏移從而導致系統的穩定性降低的問 題，本發明的目的是提供一種逆變器的動態有功功率控制方法，通過動態地移動系統中所 設定的逆變器下垂曲線，使得系統頻率恢復，並使其它逆變器電源在回到額定工作點附近 的情況下功率均分。 本發明的目的是通過以下技術方案予以實現的 逆變器的動態有功功率控制方法，逆變器的輸出有功功率P與參考頻率f構成P-f 下垂曲線，下垂曲線的斜率為-kp;當逆變器的輸出有功功率P等於逆變器的設定有功功率 P。時，參考頻率f為50Hz，該下垂曲線經過(P。，50Hz)這一狀態；在多逆變器無互聯線並聯 系統中，各逆變器的輸出電壓在穩態時總處於相同頻率，當負載所需的有功功率變化時，各 臺逆變器按比例地分擔變化的有功功率，系統的頻率較50Hz有相應地偏移，其特徵在於， 所述的控制方法包括以下步驟 步驟一 )檢測逆變器的輸出有功功率P，將其和逆變器的設定功率P。做差，得到偏 移的有功功率AP，偏移的有功功率AP乘以下垂曲線斜率-kp，得到偏移的參考頻率Af，
步驟二)當偏移的參考頻率Af的絕對值大於設定值時，對Af進行比例積分，比 例積分的輸出值為有功功率SP; 步驟三)將S P疊加到P。，疊加後產生新的設定有功功率P工； 步驟四)當新的設定功率P工與輸出有功功率P相等時，偏移的參考頻率Af為零， 即系統的參考頻率達到50Hz時，停止對Af的比例積分，這時下垂曲線從原先的經過(P。， 50Hz)這一狀態，至現在的經過(Pp50Hz)這一狀態，而下垂曲線的斜率-kp保持不變，這時 逆變器輸出的有功功率等於負載所需的有功功率，系統的頻率恢復至50Hz。
本發明的進一步技術方案是，所述的P-f下垂曲線表達式為f-f。 =_kp[P-(P。+ S P)]，其中f。為逆變器輸出電壓的額定頻率，即50Hz， P。為逆變器的設定有 功功率，-kp為下垂曲線的斜率。 本發明由於在負載大幅變化時調整其中一臺逆變器原有下垂曲線的位置，保證了 多逆變器無互聯線並聯繫統，如微網系統和UPS並聯繫統的頻率可以保持在一個設定的範 圍，從而提高了系統的穩定性，並且使得其它發電設備的輸出功率總在額定功率附近，且按 比例分配輸出的有功功率，提高了其它發電設備的運行效率。


圖1為通過傳輸線的有功與無功功率示意圖； 圖2為P-f與Q-U下垂特性示意圖； 其中圖2A為P-f下垂特性示意圖；圖2B為Q_U下垂特性示意圖； 圖3為動態有功功率控制示意圖； 其中圖3A為原理圖；圖3B為工作框圖； 圖4為開關的控制框圖； 圖5為控制器H(s)對Af的作用示意圖； 圖6為傳統P-f下垂控制的仿真結果圖； 圖7為採用動態有功控制的仿真結果圖。 對於如圖1所示的輸電線，從A點流入的有功功率PA和無功功率QA可由下式表 示 屍,，WsinS (1) 麼=1 、 /r~~^ (2) 其中，仏和U2分別表示A點和B點電壓的有效值，9表示傳輸線兩端的電壓相差， f表示電壓頻率，L表示傳輸線的等效電感。 在一般的線路長度下，傳輸線兩端的電壓相差e很小，因此有sine " e，
cos e " l，則上式可等效為
formula see original document page 4 式(3) (4)說明了在純感性傳輸線下，傳輸的有功功率的大小由端電壓相位差9 決定，而無功功率的大小則由端電壓的幅值差決定。而對頻率的控制可以自動地控制相角。 因此，如果負載消耗的有功功率和無功功率確定的話，微網中逆變器電源的電壓頻率和幅 值就被確定了 。通過上述結論，我們可以得到傳統的P-f和Q-U下垂特性
f-f。 =-kp(P-P0) (5)
U-U。 = _kq(Q-Q。) (6) 其中f。和U。分別為逆變器輸出電壓的額定頻率和幅度。P和Q表示逆變器實際輸出的有功功率和無功功率。而P。和Q。則分別為逆變器輸出的額定有功功率和額定無功功 率。kp和k,為下垂曲線中的斜率。逆變器輸出電壓功率的下垂特性參見圖2A和圖2B所 示。圖2A表示當逆變器的輸出有功功率為P。時，逆變器輸出電壓頻率為f。，當輸出有功功 率P小於(或大於)P。時，逆變器輸出電壓頻率f增大(或減小)，f的值可通過式(5)求 得。圖2B表示當逆變器的輸出無功功率為Q。時，逆變器輸出電壓幅度為U。，當輸出無功功 率Q小於(或大於)Q。是，逆變器輸出電壓幅度U增大(或減小)，U的值可通過式(6)求 得。 如圖3所示，當頻率上升或下降到設定的閾值時，如50. 0 ±0. 2Hz，通過改變P-f下 垂曲線的位置，則可以使頻率重新回到50. 0Hz。如圖3A所示，在初始狀態，逆變器和負載的 P-f曲線分別為曲線a和L。，當負載突增時，負載的P-f曲線變為L"所以逆變器的工作點 開始從A向C移動。但當工作點移動至B點時，出於對系統穩定性的考慮，系統頻率不能再 降低。這時P-f曲線開始由a向a' 、a〃 、 a〃 '…移動，在這期間，工作點由B向D移動。 當下垂曲線由a移至b的同時，逆變器的工作點也由B點到達D點，這樣最終的P-f曲線形 成，並且系統的頻率重新回到了 50.0Hz。在此之後，當負載再發生變化時，只要不使得頻率 變動再次超過閾值，逆變器之間仍由傳統的方式分配功率。 這種動態能量管理的控制框圖由圖3B所示。當I Af I達到閾值時，開關S閉合。 通過調節A f可以使得50Hz下設定的有功功率由P。變為P"即P。+ S P，這樣就改變了 P-f 曲線的位置，AP表示在新的P-f曲線下實際有功功率和50Hz下設定的有功功率之間的偏 差P_(P。+ S P)。實際有功功率和最終的曲線可由下式表示
f-f。 = -kp [P- (P。+ S P) ] (7) 微網的運行是由分布式發電(DG)，分布式儲能(DS)，連網開關，以及系統控制構
成。其中，分布式發電和分布式儲能都需要通過逆變器才能與微網連接。 在分布式儲能技術中，儲能能力可分為中長期能量需要和短期能量需要。由於這
種新型動態有功管理的特性，逆變器需要在較大範圍內調節其輸出功率和較大的能量密
度。因此這種控制策略可應用於微網中提供中長期能量的分布式儲能系統。在分布式發電
系統中，其輸出功率由自然環境決定，但當由負載下降所需要動態有功管理時，分布式發電
系統仍可參與，其多餘的能量可提供至與之相連或相近的儲能系統。 在UPS並聯繫統中，處於並聯中的任一逆變器均可應用此技術。 當負載的大幅變化使得系統的頻率偏移高於或達到設定的0. 2Hz時，開關S閉合，
這時P-f曲線的位置開始移動。當輸出功率與負載在50.0Hz處平衡時，開關S斷開。開關
的控制框圖如圖4所示。圖中ABS表示求絕對值。 當P-f曲線開始移動時，調節器H(s)的目的是使頻率偏移為零。調節器可表述為 如下形式 formula see original document page 5(8) 式中、表示積分係數，k2表示比例係數，s為傳遞函數自變量。
調節器的效果通過圖5說明。當頻率的偏移A f達到0. 2Hz時，調節器H(s)開始 動作，這時SP開始增大，隨著SP的增大，有功功率的偏移AP，S卩P-(P。+SP)減小，由於 Af與AP成比例關係，則Af也會減小。直至Af減小到零，即系統頻率回到50Hz，這時SP增至某一定值，開關S斷開，調節器H(s)停止動作。 圖6為在傳統P-f下垂控制下負載變動所引起的頻率變動。從圖6中可以看出， 在0. Is後系統穩定，在0. 3s時，負載增加，兩臺逆變器按比例分配負載功率，系統頻率降至 49. 92Hz，在0. 7s時，負載再次增加，這時系統頻率再次下降，低於頻率的設定下限49. 8Hz。
圖7為對其中一臺逆變器進行動態有功管理後的P-f特性，從圖7中可以看出，在 0. 7s負載又一次增加時，頻率下降，當被控制的逆變器頻率f降至49. 8Hz時，頻率回升，最 終在1. 2s處使得整個系統的頻率恢復至50. OHz，在1. 5s處負載又一次發生變化，逆變器之 間又可以按比例分配負載。
權利要求
逆變器的動態有功功率控制方法，逆變器的輸出有功功率P與參考頻率f構成P-f下垂曲線，下垂曲線的斜率為-kp；當逆變器的輸出有功功率P等於逆變器的設定有功功率P0時，參考頻率f為50Hz，該下垂曲線經過(P0，50Hz)這一狀態；在多逆變器無互聯線並聯繫統中，各逆變器的輸出電壓在穩態時總處於相同頻率，當負載所需的有功功率變化時，各臺逆變器按比例地分擔變化的有功功率，系統的頻率較50Hz有相應地偏移，其特徵在於，所述的控制方法包括以下步驟步驟一)檢測逆變器的輸出有功功率P，將其和逆變器輸出的設定有功功率P0做差，得到偏移的有功功率ΔP，偏移的有功功率ΔP乘以下垂曲線斜率-kp，得到偏移的參考頻率Δf，步驟二)當偏移的參考頻率Δf的絕對值大於設定值時，對Δf進行比例積分，比例積分的輸出值為有功功率δP；步驟三)將δP疊加到P0，疊加後產生新的設定有功功率P1；步驟四)當新的設定功率P1與輸出有功功率P相等時，偏移的參考頻率Δf為零，即系統的參考頻率達到50Hz時，停止對Δf的比例積分，這時下垂曲線從原先的經過(P0，50Hz)這一狀態，至現在的經過(P1，50Hz)這一狀態，而下垂曲線的斜率-kp保持不變，這時逆變器輸出的有功功率等於負載所需的有功功率，系統的頻率恢復至50Hz。
2. 根據權利要求l所述的逆變器的動態有功功率控制方法，其特徵在於，所述的P-f下 垂曲線表達式為f-f。 = _kp[P-(P。+ S P)]，其中f。為逆變器輸出電壓的額定頻率，即50Hz， P。為逆變器的設定有功功率，-kp為下垂曲線的斜率。
全文摘要
本發明公開一種逆變器的動態有功功率控制方法，經過檢測偏移的參考頻率Δf，當偏移的參考頻率Δf的絕對值大於設定值時，對Δf進行比例積分，比例積分的輸出值為有功功率δP，將δP疊加到P0，疊加後產生新的設定功率P1，當偏移的頻率為零，即系統的參考頻率達到50Hz時，停止此比例積分環節，這時逆變器輸出的有功功率等於負載所需的有功功率，系統的頻率恢復至50Hz；本發明通過動態地移動系統中所設定的逆變器下垂曲線，使微網工作模式切換和微網孤島運行模式以及無互聯線UPS並聯繫統中負載大幅變化時導致嚴重偏移的頻率得到恢復，並使得其它逆變器電源在回到額定工作點附近的情況下功率均分。
文檔編號H02M7/42GK101741271SQ20091025462
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月31日 優先權日2009年12月31日
發明者劉婷, 劉進軍, 張軒 申請人:西安交通大學