采用功率坐标变换实现逆变器稳态频率无差调节的控制方法

摘要

采用功率坐标变换实现逆变器稳态频率无差调节的控制方法，本发明的特征是，根据负荷平均功率因素选取虚拟阻抗；选择虚拟阻抗角，使之和负荷平均功率因数角相等；根据虚拟阻抗角对逆变器有功和无功负荷进行坐标变换，得到广义有功P

说明书

技术领域

本发明涉及逆变器并联运行的一种控制方法，具体涉及一种利用功率坐标变换实现逆变 器有功无功负荷按比例分担以及稳态频率无差调节的控制方法。

背景技术

在UPS并联冗余系统或者微电网中存在多台并联运行的逆变器，逆变器并联运行控制算 法在上述领域具有重要应用前景，逆变器并联运行的理想目标是：各逆变器按照其容量的比 例承担有功和无功负荷，电压和频率偏差为零。下垂控制是一种重要的逆变器并联运行控制 算法，它无需通信，但下垂控制存在稳态频率偏差，且不能实现有功和无功负荷的按比例分 担；下垂控制和虚拟阻抗相结合可以取得更好效果，解决有功和无功负荷的按比例分担问题， 但仍然无法解决稳态频率偏差问题。

鉴于上述原因，有必要研究一种逆变器并联运行控制算法，可以实现有功和无功负荷的 按比例分担，并且解决稳态频率偏差问题。本发明将下垂控制、虚拟阻抗和功率坐标变换相 结合，得到一种逆变器并联运行控制算法，它可以实现有功和无功负荷的按比例分担并且基 本消除稳态频率偏差。

发明内容

本发明针对的技术问题是：同时解决逆变器并联运行时的有功和无功按逆变器容量比例分 担以及稳态频率偏差问题。

本发明是通过如下技术方案来实现的。采用功率坐标变换实现逆变器稳态频率无差调节 的控制方法，本发明的特征是，根据负荷平均功率因素选取虚拟阻抗；选择虚拟阻抗角，使 之和负荷平均功率因数角相等；根据虚拟阻抗角对逆变器有功和无功负荷进行坐标变换，得 到广义有功P_d和广义无功Q_d；对广义有功实行下垂控制P_d-f,按照逆变器容量的反比选取下垂 系数，并按照逆变器容量的反比选择虚拟阻抗。

本发明的有益效果是，可以在不依赖逆变器之间通信的情况下，实现有功和无功负荷的 按容量比例分担，确保动态过程中的频率偏差极小，基本消除稳态频率偏差。

附图说明

图1为逆变器功率传输示意图；

图2为逆变器并联运行仿真模型；

图3负荷功率因素为0.9487时的仿真结果；

图4为负荷功率因素波动时本发明的仿真结果。

具体实施方式

采用功率坐标变换实现逆变器稳态频率无差调节的控制方法，本发明的特征是，根据负 荷平均功率因素选取虚拟阻抗；选择虚拟阻抗角，使之和负荷平均功率因数角相等；根据虚 拟阻抗角对逆变器有功和无功负荷进行坐标变换，得到广义有功P_d和广义无功Q_d；对广义有 功实行下垂控制P_d-f,按照逆变器容量的反比选取下垂系数，并按照逆变器容量的反比选择虚 拟阻抗。

本发明具体为：

逆变器并联运行时的功率传输特性如图1所示，M是逆变器并联点，N是公共母线。E₁∠δ 为逆变器输出电压，E₂∠0为母线电压，R+jX为线路阻抗，P是逆变器注入的有功，Q是逆 变器注入的无功，记所有逆变器的总有功及无功负荷分别为P_L及Q_L。

引入虚拟电阻和虚拟电抗非别为R_d和X_d，使利用X_d， R_d对P，Q进行变换，可得得到广义有功P_d以及广义无功Q_d，如式(1)，(2)所示

$P_d=\frac{{\mathrm{PX}}_d-{\mathrm{QR}}_d}{\sqrt{R_d^2+X_d^2}}\approx \frac{E_1{E}_2\sin \delta }{\sqrt{R_d^2+X_d^2}}---\left(1\right)$

$Q_d=\frac{{\mathrm{PR}}_d+{\mathrm{QX}}_d}{\sqrt{R_d^2+X_d^2}}=\frac{E_1(E_1-E_2\cos \delta )}{\sqrt{R_d^2+X_d^2}}---\left(2\right)$

进一步分析可知：广义有功P_d由频率决定，即可以对P_d实行下垂控制，如式(3)所示

$f=f^{*}-m(P_d-P_d^{*})---\left(3\right)$

分别为额定广义有功及广义无功，可由逆变器的额定有功及额定无功经坐标变换得到。

本发明的基本思路是采用P_d-f下垂控制广义有功，通过虚拟阻抗调节广义无功，并最终 达到两个目标：(1)实现P,Q的按比例分担；(2)减小稳态频率偏差。

假设对于编号i,j且额定容量分别为S_i,S_j的逆变器，假设其广义有功下垂系数分别为m_i,m_j； 虚拟阻抗分别为Z_di和Z_dj。

对式(1)、(2)进行逆变换可得(4)，(5)。

P＝P_dsinθ+Q_dcosθ   (4)

Q＝Q_dsinθ-P_dcosθ   (5)

根据(4)，(5)，任意两个编号为i，j的逆变器的P,Q之比如式(6)和(7)所示。

$\frac{P_i}{P_j}=\frac{P_{\mathrm{di}}\sin \theta +Q_{\mathrm{di}}\cos \theta }{P_{\mathrm{dj}}\sin \theta +Q_{\mathrm{dj}}\cos \theta }---\left(6\right)$

$\frac{Q_i}{Q_j}=\frac{Q_{\mathrm{di}}\sin \theta -P_{\mathrm{di}}\cos \theta }{Q_{\mathrm{dj}}\sin \theta -P_{\mathrm{dj}}\cos \theta }---\left(7\right)$

仔细观察(6)，(7)式可知，若虚拟功率满足式(8)

$\frac{P_{\mathrm{di}}}{P_{\mathrm{dj}}}=\frac{Q_{\mathrm{di}}}{Q_{\mathrm{dj}}}=\frac{S_i}{S_j}---\left(8\right)$

根据等比定理可得式(9)

$\frac{P_i}{P_j}=\frac{Q_i}{Q_j}=\frac{S_i}{S_j}---\left(9\right)$

通过式(8)和式(9)可知，要实现逆变器P和Q的按容量比例控制，只需控制逆变器 的虚拟功率P_d和Q_d，使之按逆变器的容量比例分配即可。为实现这一目标，只需按照逆变器 额定容量的反比选择广义有功下垂系数m和虚拟阻抗Z_d＝R_d+jX_d。

在动态过程中，若逆变器功率P和Q未按比例分配，则P_d是一个相对较大的量，可起 到迅速调节的作用；稳态时，逆变器功率P和Q基本达到按比例分配，即P_d趋近 于零，频率偏差也趋近于零。

综上所述，本发明控制算法的基本流程如下：

①对所有逆变器取统一的电压幅值E_d，引入虚拟阻抗Z_d，虚拟阻抗角等于负荷的平均 功率因素，即$\frac{X_d}{\sqrt{R_d^2+X_d^2}}=\frac{Q_L}{\sqrt{P_L^2}+Q_L^2}.$

②按照公式(1)进行功率坐标变换，得到广义有功P_d。

③对广义有功P_d使用下垂控制，其中下垂系数按照逆变器额定容量的反比选取，按此 方法得到逆变器频率f，2πf对时间积分得到电压相角δ。δ和E_d共同构成虚拟电压 v_d＝E_dsinδ。

④按逆变器容量的反比选择虚拟阻抗，以调节广义无功Q_d大小，在此基础上形成逆变 器的最终指令电压$v_{\mathrm{ref}}=v_d-R_d{i}_o-L_d·\mathrm{LPF}\left(s\right)·\frac{{\mathrm{di}}_o}{\mathrm{dt}}$

其中LPF(s)是低通滤波器，ω为工频角频率。

⑤控制逆变器输出电压使之跟踪指令电压v_ref。

本发明的技术效果可通参照下面的仿真示例来说明：

在Matlab Simulink中搭建仿真模型，逆变器采用三相三桥臂LC滤波的逆变器，仿真模 型如图2所示，包含两个线电压为380V的三相逆变器，其容量比为1:2，Z_L1＝Z_L2＝0.1+j0.1 (工频值)。

采用电压外环电流内环的电压跟踪方法，电流内环采用电容电流反馈。两个逆变器的电 压电流环控制参数相同，即：直流侧电压800V，LC滤波电感0.6mH，滤波电容1500μF,滤 波电容的等效电阻为0.01Ω，电压外环采用比例积分控制，的比例积分系数分别为10和100； 电流内环采用比例控制，比例系数为5。

对功率因素为0.9487的情形进行了仿真，按照本发明的方法设定下垂系数和虚拟阻抗， 负荷及参数设置见表1。

表1 控制参数设定及负荷分配结果

图3是负荷功率因素为0.9487时的仿真结果，P₁、P₂分别代表逆变器1和逆变器2的有 功，Q₁、Q₂分别代表逆变器1和逆变器2的无功，f1和f2分别表示逆变器1和逆变器2的 频率，表1中列有P，Q的分担结果。由图和表可知有功和无功基本是按照容量比例分配的； 负荷突变后，逆变器的过渡过程也比较迅速，几乎没有振荡。微网的频率几乎维持在50Hz， 负荷的增加对稳态频率偏差几乎没有影响。

图4是负荷功率因素波动时的仿真结果(功率因素波动到0.9278)，表1也列出了P，Q 分担结果，有功无功负荷基本也是按比例分担，频率偏差也极小，基本得到消除。总之，即 使负荷功率因素有一定波动，本发明也能实现有功无功负荷的按比例分担，基本消除稳态频 率偏差。