具有滞回特性的下垂-倒下垂型微电网逆变器电源

摘要

本发明公开了具有滞回特性的下垂-PQ型微电网逆变器电源，包括分布式一次能源、检测模块、控制模块、驱动模块和逆变器换流桥；所述检测模块包括采样单元和输入信号处理单元，所述控制模块根据检测模块传送过来系统有功和无功功率的信息，与电源事先设置的功率极限值进行比较，从而产生作用于驱动模块的控制信号，所述控制模块的控制方法为下垂-倒下垂控制，且控制模块设有四个门槛值，所述驱动模块包括PWM生成电路和驱动放大电路，所述逆变器换流桥用于分布式一次能源和微电网的连接，及其之间的电能交换。本发明增大功率调节范围，提供稳定的电压和频率，可使系统可靠稳定的运行，并使其具有较好的抗扰动性能。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子装置及其控制领域，涉及一种具有滞回特性的下垂-倒下垂型微电网逆变器电源。

背景技术

随着电力需求的不断增长，常规电网在过去数十年里快速发展。然而由于其成本高、运行难度大，以及燃料短缺、环境污染的日益加重，促进了环保、灵活、以可再生能源为主的分布式发电技术的发展。为了充分发挥分布式发电的优点并解决大电网与其之间的矛盾，一般将分布式发电系统互联形成以微电网的形式运行。然而随着微电网的接入，出现了一些新的问题，主要表现在微电网在孤岛运行模式下采用何种控制方式才能维持整个系统的稳定运行。当微电网与大电网并网运行时，可由大电网提供运行参考频率和电压。而微电网在孤网状态时，需要对网内各个微电源进行有效的控制协调，以维持整个系统能够稳定运行，保证系统的电压及频率在合理的范围内。

目前常用的一种孤网运行方式是以一个采用下垂控制的电源为主电源，提供频率和电压参考。其静态输出特性曲线如图1所示，P、f、Q、V分别为有功功率、频率、无功功率、电压，P₁、f₁、Q₁、V₁分别为运行点A的有功功率、频率、无功功率、电压，P₂、f₂、Q₂、V₂分别为运行点B的有功功率、频率、无功功率、电压，f₀、V₀分别为空载时换流器输出电压频率和幅值，m和n分别为频率和电压下垂系数，图1（a）为(有功-频率静态特性曲线图，1（b）为无功-电压静态特性曲线。当系统的负荷有功功率和无功功率分别增加时，逆变器电源就会调整其控制器并使其运行点由A点向B点移动，直至达到系统的功率平衡。其它的电源都运行在倒下垂方式下，其静态输出特性曲线如图2所示，图2（a）为有功-频率静态特性曲线图2（b）为无功-电压静态特性曲线，P₃、f₃、Q₃、V₃分别为运行点C的有功功率、频率、无功功率、电压，P₄、f₄、Q₄、V₄分别为运行点D的有功功率、频率、无功功率、电压，m/k和n/k分别为频率和电压倒下垂系数。当系统的负荷有功功率和无功功率分别增加时，逆变器电源就会调整其控制器并使其运行点由C点向D点移动，直至达到系统的功率平衡。采用下垂控制方式的微电源虽然可以在其可调容量范围内维持系统的电压幅值及频率不变，但是一旦系统内需要大量的功率交换，超出其可调容量范围，该微电源就不能继续维持系统的稳定运行。

一种可行的解决方法是采用下垂控制和倒下垂控制的交替方式，其静态输出特性如图3所示，其中，图3（a）为有功-频率静态特性曲线，3（b）为无功-电压静态特性曲线，P_min、P_max 分别为电源输出有功功率最小值、最大值，Q_min、Q_max分别为电源输出无功功率最小值、最大值，f_min、f_max 分别为电源输出频率最小值、最大值，V_min、V_max分别为电源输出电压最小值、最大值。P_n、P_m 分别为下垂控制方式下电源输出有功功率最小值、最大值，Q_n、Q_m分别为下垂控制方式下电源输出无功功率最小值、最大值，f_n、f_m 分别为下垂控制方式下电源输出频率最小值、最大值，V_n、V_m 分别为下垂控制方式下电源输出电压最小值、最大值。当孤网运行时，微电网中有一个电源运行于下垂方式下，为系统提供电压和频率支持；而其它的电源运行于倒下垂方式下。当下垂控制的电源可调容量越限时转为倒下垂方式，而由某一个其它的电源提供电压和频率支持。但是，这种切换会造成较大的频率或电压扰动，运行灵活性不足，控制器容易误触发。因此，可进一步引入滞回特性的控制方式及相应组网方式。

发明内容

为了克服现有的技术的不足, 本发明提供一种具有滞回特性的下垂-倒下垂型微电网逆变器电源。

本发明技术方案如下所述：

具有滞回特性的下垂-倒下垂型微电网逆变器电源，其特征在于，包括分布式一次能源、检测模块、控制模块、驱动模块和逆变器换流桥；

所述检测模块包括采样单元和输入信号处理单元，采样单元采集当前系统的电流、电压，将其实时采样信号传输到输入信号处理单元，输入信号处理单元进行实时计算，得出系统的有功和无功功率，将信息传递给控制模块；

所述控制模块根据检测模块传送过来系统有功和无功功率的信息，与电源事先设置的功率极限值进行比较，从而产生作用于驱动模块的控制信号；

所述驱动模块包括PWM生成电路和驱动放大电路，PWM生成电路将控制信号调制成PWM控制脉冲，驱动放大电路将PWM控制脉冲放大后驱动逆变器换流桥；

所述逆变器换流桥用于分布式一次能源和微电网的连接，及其之间的电能交换；

所述控制模块的控制方法为下垂-倒下垂控制，且所述控制模块设有四个门槛值，从大到小分别为第一门槛值、第二门槛值、第三门槛值和第四门槛值，若电源工作在下垂控制方式下，只有当频率或电压小于第一门槛值时，或当输入大于第四门槛值时，下垂控制方式才会切换为倒下垂控制方式；若电源工作在倒下垂控制方式下，只有当频率或电压小于第二门槛值时，或当输入大于第三门槛值时，倒下垂控制方式才会切换为下垂控制方式。

根据上述结构的本发明，其有益效果在于，本发明不但可以增大功率调节范围，每个电源可根据其设置的参考频率及其可输出的有功功率的范围来投入或退出主控模式。另外，由于引入了滞回输出特性的下垂-倒下垂控制方法及其组网方式，为系统提供稳定的电压和频率，维持系统可靠稳定地运行，避免控制器频繁切换，使系统具有较好的抗扰动性能。各个逆变器电源之间可以按照预先设定的阈值依次切换，减少控制器误动或拒动带来的影响，增大容错能力，更好地维持系统稳定运行。随着我国微电网的快速发展，特别是对微电网运行的柔性和可靠性，微电源控制以及数量众多的微电源间的协调配合要求高的区域，将具有重要的理论和工程价值。

附图说明

图1为现有下垂控制方法的电源静态输出特性曲线；

图2为现有倒下垂控制方法的电源静态输出特性曲线；

图3为现有下垂-倒下垂控制方法的电源静态输出特性曲线；

图4为本发明结构示意图；

图5为本发明组成系统的实施例一的结构示意图；

图6为本发明的有功-频率静态特性示意图；

图7为本发明的无功-电压静态特性示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：

如图4所示，本发明所涉及的系统结构包括分布式一次能源、检测模块、控制模块、驱动模块和逆变器换流桥。检测模块获得采样信号并通过计算得到微电网系统的有功和无功功率；控制模块对检测模块传递来的有功和无功功率以及设定的参考变量进行逻辑判断，产生作用于驱动模块的控制信号；驱动模块将控制信号调制成PWM控制脉冲，将PWM控制脉冲放大后驱动逆变器换流桥；逆变器换流桥主要用于分布式电源和微电网的连接，及其之间的电能交换，分布式一次能源通过逆变器换流桥与微电网连接。

逆变器换流桥主要用于将分布式一次能源发出的不同形式的电能转换为工频的交流电，针对不同的要求有不同的拓扑结构，因此可根据具体的要求来设计，本发明不对其加以限制。

控制模块引入了具有滞回特性的控制方法，通过设置合适的环宽，防止电源在某一个值的上下波动时反复动作。下垂控制可进行自发反向调节负荷功率需求变化引起的系统频率的变化，选取合适的下垂增益，可以控制系统频率在微电网运行允许范围内。倒下垂控制方式属于非主控控制方式，根据倒下垂曲线来调节逆变器电源输出，通过设置倒下垂比例系数，可以控制输出的功率在固定的范围。当逆变器输出的有功或无功功率越限时，需转为倒下垂控制方式，使得该电源在系统频率变化时还可以参与功率的调节，并通过其输出功率的变化来调节系统的频率。由于引入了滞回输出特性，通过对各个电源逆变器设置不同的门槛值，在负荷功率变化时，各个逆变器电源之间可以按照预先设定的阈值依次切换。

为实现微电网组网运行，至少需要一个微电网逆变器作为主控型电源，承担微电网的功率和电压平衡。图5为本发明系统结构示意图，三个逆变器电源协调控制为实施例，本实施案讨论负荷功率变化时具有滞回输出特性的微电源的工作原理。采用这种具有滞回特性的逆变器电源作为主控电源，可等效增大调节范围。若采用多个这类电源，则每个电源可根据其设置的参考频率及其相应输出的有功功率范围自动投入或退出主控模式，且不需要通讯支持。另外，由于引入了滞回输出特性，通过对各个电源逆变器设置不同的门槛值，在负荷功率变化时，各个逆变器电源之间可以按照预先设定的阈值依次切换。

图6为本发明电源的有功-频率静态特性示意图，其中，三个电源分别为：电源DG1、电源DG2电源DG3，电源DG1频率的四个门槛值设为                                               、、、，电源DG2频率的四个门槛值设为、、、，电源DG3频率的四个门槛值设为、、、。

微电网运行于孤岛模式时，假设系统初始运行时，电源DG2作为主控电源，维持微电网系统的频率为，此时电源DG1、电源DG3分别运行于A1、B1点，采用倒下垂控制输出有功功率，随着负荷需求有功功率的增加，主控电源DG2的输出功率增大，频率随之减小，只要负荷需求的有功功率在其可调节的范围内，电源DG2就仍运行于下方的下垂曲线上，而电源DG1、电源DG3仍采用倒下垂方式输出有功功率。当电源DG2的输出有功增大直至达到最大值仍无法满足负荷的需求时，电源DG2将被迫改变其控制方式，自动切换为倒下垂控制，此时系统的频率将会快速下降，当频率降低到电源DG3的阈值时，电源DG3将由倒下垂控制转换为下垂控制方式，作为新的主控电源维持系统的频率稳定，并增加其输出有功参与功率的调节，而电源DG1与电源DG2将采用倒下垂方式输出有功功率，以使系统达到功率平衡。

若某一时刻，由于负荷需求的减小，此时的主控电源DG3，维持系统的频率于、之间，输出功率减小直到电源DG3的最小值仍无法满足负荷的需求时，电源DG3将被迫改变其控制方式，自动切换为倒下垂控制，此时系统的频率将会上升，当频率上升到电源DG2的阈值时，电源DG2将由倒下垂控制转换为下垂控制方式，作为新的主控电源维持系统的频率稳定，并降低其输出有功参与功率的调节，此时电源DG1与电源DG3将采用倒下垂方式输出有功功率，以使系统达到功率平衡。

如图7为本发明电源的无功-电压静态特性示意图，其中，三个电源分别为：电源DG1、电源DG2电源DG3，电源DG1电压的四个门槛值设为、、、，电源DG2电压的四个门槛值设为、、、，电源DG3电压的四个门槛值设为、、、。

微电网运行于孤岛模式时，假设系统初始运行时，电源DG2作为主控电源，维持微电网系统的电压为，此时电源DG1、电源DG3分别运行于A2、B2点，采用倒下垂控制输出有功功率，随着负荷需求无功功率的增加，主控电源DG2的输出功率增大，电压随之减小，只要负荷需求的无功功率在其可调节的范围内，电源DG2就仍运行于下方的下垂曲线上，而电源DG1、电源DG3仍采用倒下垂方式输出无功功率。当电源DG2的输出无功增大直至达到最大值仍无法满足负荷的需求时，电源DG2将被迫改变其控制方式，自动切换为倒下垂控制，此时系统的电压将会快速下降，当电压降低到电源DG3的阈值时，电源DG3将由倒下垂控制转换为下垂控制方式，作为新的主控电源维持系统的电压稳定，并增加其输出无功参与功率的调节，而电源DG1与电源DG2将采用倒下垂方式输出无功功率，以使系统达到功率平衡。

若某一时刻，由于负荷需求的减小，此时的主控电源DG3，维持系统的电压于、之间，输出功率减小直到电源DG3的最小值仍无法满足负荷的需求时，电源DG3将被迫改变其控制方式，自动切换为倒下垂控制，此时系统的电压将会上升，当电压上升到电源DG2的阈值时，电源DG2将由倒下垂控制转换为下垂控制方式，作为新的主控电源维持系统的电压稳定，并降低其输出无功参与功率的调节，此时电源DG1与电源DG3将采用倒下垂方式输出无功功率，以使系统达到功率平衡。

根据本发明的技术方案，微电网与大电网并网运行时，其内部的微电源采用下垂控制方式输出稳定的功率；微电网切换为孤岛模式时，具有滞回输出特性的微电源在系统频率或电压达到其设置的参考频率或电压时就会由倒下垂方式切换为下垂控制方式，作为主控电源来提供电压及频率支撑，当其输出的功率达到最大输出功率时又自动切换为倒下垂控制方式，而由另外的微电源来稳定电压及频率。由此可以看出，具有这种滞回输出特性的微电源不但可以运行于微网的并网模式下，还可以运行于微网的孤岛模式下，为系统提供稳定的电压幅值及频率，并且使系统具有多个平衡节点，其功率调节范围增大，每个微电源可根据其设置的参考频率或电压及其可输出的有功功率或无功功率的范围来投入或退出主控模式，也就是说各微电源工作方式的切换不需要通讯。另外，这种微电源还使得系统具有较好的容错性能，主要表现在负荷功率变化时，各微电源依次切换为主控电源调节自身输出的功率，即使次序出现错误仍会有微电源作为主控电源给系统提供稳定的电压和频率，系统仍能稳定运行。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。