一種電壓控制型并網(wǎng)逆變器功率解耦方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于并網(wǎng)逆變器控制研究領(lǐng)域，具體涉及一種電壓控制型并網(wǎng)逆變器輸出 功率的解耦控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著環(huán)境和能源危機(jī)的日益加深，新能源發(fā)電得到了越來(lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用，而 并網(wǎng)逆變器是新能源發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送電能的必不可少的接口設(shè)備，并網(wǎng)逆變器的性能 將會(huì)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)以及電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響。并網(wǎng)逆變器輸出功率的波動(dòng)會(huì)造成能 源利用效率的降低，嚴(yán)重者可能引起電網(wǎng)震蕩甚至癱瘓。
[0003] 按照控制方式的不同，并網(wǎng)逆變器可以分為電流控制型和電壓控制型兩種。傳統(tǒng) 的并網(wǎng)逆變器大多采用電流控制模式，因?yàn)樵摽刂颇Ｊ骄哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn) 跟蹤（MPPT)算法等優(yōu)點(diǎn)，但是電流控制型并網(wǎng)逆變器不能運(yùn)行在孤島模式下。近年來(lái)隨著 分布式發(fā)電以及微電網(wǎng)等新技術(shù)的推廣和應(yīng)用，要求并網(wǎng)逆變器能夠具備孤島運(yùn)行能力， 以便在大電網(wǎng)出項(xiàng)故障時(shí)能夠脫離電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，保證本地重要負(fù)載的供電不受影響。在 這種背景下，具備孤島運(yùn)行能力的電壓控制型并網(wǎng)逆變器獲得了極大的應(yīng)用。除此之外，電 壓控制型并網(wǎng)逆變器還具有孤島與并網(wǎng)切換平滑、可以向弱電網(wǎng)提供電壓支撐以及不依賴(lài) 鎖相環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，所以其應(yīng)用前景非常廣泛。
[0004] 無(wú)論電流控制型還是電壓控制型并網(wǎng)逆變器，都存在輸出功率的耦合問(wèn)題，即不 能對(duì)有功功率和無(wú)功功率完全獨(dú)立控制，二者之間存在相互影響。針對(duì)電流控制型，已經(jīng)有 很多學(xué)者提出了解耦方法，如電感電流前饋法、矢量PI控制器等。但是因?yàn)榭刂茩C(jī)理的差 異，這些方法無(wú)法直接應(yīng)用到電壓控制型并網(wǎng)逆變器中。另外也有學(xué)者提出了解決因線路 傳輸阻抗引起的功率耦合問(wèn)題，如虛擬阻抗、虛擬功率等方法，這些方法可以認(rèn)為是對(duì)小信 號(hào)模型的解耦但是不能解決電路固有拓?fù)錄Q定的大信號(hào)耦合問(wèn)題。因此當(dāng)有功功率或者無(wú) 功功率其中一個(gè)的指令值發(fā)生改變時(shí)，另一個(gè)也會(huì)因?yàn)轳詈隙馆敵龉β拾l(fā)生波動(dòng)。這個(gè) 問(wèn)題沒(méi)有引起足夠的重視，也就缺少有效的解耦方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種電壓控制型并網(wǎng) 逆變器的功率解耦方法，從而可以對(duì)逆變器輸出的有功和無(wú)功功率進(jìn)行獨(dú)立的解耦控制。
[0006] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種電壓控制型并網(wǎng)逆變器功率解耦方法，包括以下步驟：
[0008] 1)采集逆變器交流測(cè)輸出的電壓V、電流i和電感電流L其中輸出電壓和輸出電 流用來(lái)計(jì)算輸出有功功率和無(wú)功功率，電感電流和輸出電壓作為控制器的反饋信號(hào)；
[0009] 2)計(jì)算輸出有功功率P和無(wú)功功率Q:
[0010]
[0011]
[0012] 其中V是線電壓v的有效值，I是線電流i的有效值，f是二者相位差；
[0013] 3)根據(jù)下垂關(guān)系計(jì)算參考電壓幅值和頻率：
[0014] ω*=ωQ-kp(P_Pref);
[0015] E*=E〇-kq(Q-Qref)；
[0016] 其中P"f和Q"f分別是并網(wǎng)逆變器需要向電網(wǎng)注入有功功率和無(wú)功功率的指令 值，該指令值來(lái)自更高一級(jí)控制器的能量調(diào)度指令，或者來(lái)自一次能源最大功率點(diǎn)跟蹤 MPPT算法；ω。和E。分別是系統(tǒng)的額定頻率和額定電壓；kp和kq是對(duì)應(yīng)的下垂系數(shù)，定義 為正；P和Q分別是逆變器檢測(cè)到的輸出有功功率和無(wú)功功率；〇^和E$分別是下垂控制環(huán) 節(jié)生成的頻率和電壓的控制指令，將頻率^進(jìn)行積分就可以得到逆變器輸出電壓的相位 Θ*；
[0017] 4)根據(jù)解耦公式計(jì)算前饋量的大小，其形式如下式：
[0020] 其中，U表示電網(wǎng)相電壓峰值；Ε表示下垂控制輸出的參考電壓幅值；δ表示逆變 器輸出電壓和電網(wǎng)電壓之間的相位差，以電網(wǎng)電壓為參考；Αδ和ΔΕ分別表示相鄰兩個(gè) 控制周期內(nèi)S和Ε的變化量；
[0021] 5)將前饋量分別疊加到參考電壓幅值和相位中，將步驟4)中計(jì)算得到的幅值前 饋量Eff和δff分別疊加到步驟3)中計(jì)算出的幅值和相位上，得到最終的逆變器參考電壓， 參考電壓的幅值為：
[0022] Eref=E*+Eff
[0023] 其中，f為步驟3)中下垂公式計(jì)算出的電壓幅值，Eff為解耦公式計(jì)算出來(lái)的幅值 前饋量，Eraf是參考電壓幅值；
[0024] 參考電壓的相位為：
[0025] 0ref=Θ*+5ff
[0026] 其中，0?步驟3)中下垂公式計(jì)算出的頻率經(jīng)過(guò)積分后得到的相位角，δff是解 耦公式計(jì)算出的相角前饋量，0raf是參考電壓相位。
[0027] 最后合成的參考電壓可以表示為：
[0028] v=Erefsin(Θref)
[0029] 6)將疊加前饋量后的電壓參考指令給定到逆變器內(nèi)部的電壓環(huán)和電流環(huán)，控制逆 變器的輸出功率，步驟5)最后獲得的參考電壓v經(jīng)過(guò)電壓環(huán)和內(nèi)部電感電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié) 后生成PWM信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管的通斷，進(jìn)而控制逆變器的輸出功率。
[0030] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0031] 本發(fā)明公開(kāi)的電壓控制型并網(wǎng)逆變器功率解耦方法旨在解決逆變器輸出功率的 耦合問(wèn)題。該方法根據(jù)逆變器輸出的有功功率和無(wú)功功率的關(guān)系實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出耦合量 的大小，然后分別通過(guò)一個(gè)幅值前饋量和相角前饋量對(duì)輸出功率進(jìn)行解耦，以實(shí)現(xiàn)逆變器 輸出有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立控制。本發(fā)明方法就是在傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)中疊加一個(gè)解耦 前饋?lái)?xiàng)，應(yīng)用簡(jiǎn)單，可以方便的對(duì)已有逆變器進(jìn)行升級(jí)，解耦效果好，逆變器輸出功率穩(wěn)定、 精確，為工程應(yīng)用提供了很好的參考價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1為本發(fā)明所研究的并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)框圖；
[0033] 圖2為本發(fā)明并網(wǎng)逆變器簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖，其中（a)為等效電路圖，（b)為相量圖；
[0034] 圖3為疊加幅值前饋解耦項(xiàng)后的無(wú)功功率控制框圖；
[0035] 圖4為疊加相角前饋解耦項(xiàng)后的有功功率控制框圖；
[0036] 圖5為本發(fā)明所提出的解耦型并網(wǎng)逆變器整體控制框圖；
[0037] 圖6為仿真波形圖，其中，圖（a)為有功功率指令發(fā)生變化時(shí)無(wú)功功率的波動(dòng)情 況；圖（b)為無(wú)功功率指令發(fā)生變化時(shí)有功功率的波動(dòng)情況；
[0038] 圖7為實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形，其中圖（a)為有功功率指令從2kW增加到3kW時(shí)的情況，圖 (b)為無(wú)功功率指令從Okvar增加到lkvar的情況。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而 不是限定。
[0040] 本發(fā)明提供了一種旨在對(duì)電壓控制型并網(wǎng)逆變器輸出功率進(jìn)行解耦的控制方法， 其原理如圖4、圖5和圖6所示。在仿真和實(shí)驗(yàn)中，都將采用該方法的逆變器同采用傳統(tǒng)的 控制方法的逆變器進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。圖7(a)表示的是當(dāng)有功功率的指令發(fā)生 改變時(shí)的情況，可以看到采用本發(fā)明的控制方法可以很好的抑制無(wú)功功率的波動(dòng)；圖7 (b) 表示的是無(wú)功功率指令發(fā)生改變時(shí)的情況，同樣可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明所提出的控制方法可以很 好的抑制有功功率的波動(dòng)。仿真和實(shí)驗(yàn)都說(shuō)明本發(fā)明可以很好的實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率 的解耦，控制效果好。
[0041] 其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0042] 1)采集逆變器交流測(cè)輸出的電壓V、電流i和電感電流L其中輸出電壓和輸出電 流用來(lái)計(jì)算輸出有功功率和無(wú)功功率，電感電流和輸出電壓作為控制器的反饋信號(hào)；
[0043] 2)計(jì)算輸出有功功率P和無(wú)功功率Q:
[0046] 其中V是線電壓v的有效值，I是線電流i的有效值，Φ是二者相位差；
[0047] 3)根據(jù)下垂關(guān)系計(jì)算參考電壓幅值和頻率：
[0048]ω*=ω0-kp(P_Pref);
[0049]Ε*=Ε〇-kq(Q-Qref)；
[0050] 其中P"f和Q"f分別是并網(wǎng)逆變器需要向電網(wǎng)注入有功功率和無(wú)功功率的指令 值，該指令值來(lái)自更高一級(jí)控制器的能量調(diào)度指令，或者來(lái)自一次能源最大功率點(diǎn)跟蹤 MPPT算法；ω。和E。分別是系統(tǒng)的額定頻率和額定電壓；kp和kq是對(duì)應(yīng)的下垂系數(shù)，定義 為正；P和Q分別是逆變器檢測(cè)到的輸出有功功率和無(wú)功功率；〇^和E$分別是下垂控制環(huán) 節(jié)生成的頻率和電壓的控制指令，將頻率《$進(jìn)行積分就可以得到逆變器輸出電壓的相位 Θ*；
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