一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法
一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微网中并联逆变器的协调控制领域，具体设及一种微网中并联逆变器 的无互联线二次控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着环境和能源危机的日益加深，微网的概念得到了越来越多的关注和应用。微 网是结合了分布式电源和互联负载的能源系统。大多数情况下，微网通过电力电子接口，例 如逆变器，与母线相连接。因此，并联逆变器间的协调控制是微网可W稳定高效运行的关键 因素之一。
[0003] 由于分布式电源地理位置上的分散性，在并联电源之间利用通讯线来传递信号往 往并不是一个好的办法，因为该会增加成本并且线路上的噪音也会干扰通讯质量。在该种 情况下，下垂控制的应用可W在不使用通讯线前提下实现并联电源间功率的均分。
[0004] 然而，下垂控制也会带来一些缺陷，例如功率控制间的禪合导致的不稳定性、无功 功率的均分特性差W及频率和电压幅值的偏差。其中，频率和电压幅值的偏差是由下垂控 制在功率均分和电压调整率间固有的折中问题引起的。为了解决该个问题，二次控制被广 泛的应用。不少研究都致力于利用二次控制来消除下垂控制带来的频率和电压幅值的偏 差。
[0005] 有文献提出利用中央控制器为并联逆变器同步地发送频率和电压的补偿指令的 方法。该种方法虽然可W有效消除频率和电压幅值的偏差，但是中央控制器一旦故障，整个 系统将无法运行，其可靠性不高。还有文献提出利用分布式控制器代替中央控制器从而提 高系统可靠性的方法。然而，并联逆变器控制器参数的不同会导致逆变器的稳定工作点不 同，进而影响功率均分特性；并且，通讯线的应用限制了逆变器地理位置上的分布性，增加 了成本，降低了抗干扰性。因此，一种无互联线的二次控制策略将更具有竞争力。有文献提 出可控下垂定位方法，该方法可W根据负载功率自动调整主逆变器的下垂偏置，使主逆变 器承担负载功率的变化，从而实现频率和电压幅值的恢复。然而，该方法对主逆变器的功率 容量要求很高，在工程实际应用中受限。
【发明内容】
[0006] 为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种微网中并联逆变 器的无互联线二次控制方法，该方法能够实现负载功率在逆变器之间得到与其容量成正比 的均分，从而实现对频率和电压幅值的精确控制。
[0007] 本发明是通过W下技术方案来实现：
[000引一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法，包括W下步骤：
[000引 1)在一个高电压或中电压交流微网中，系统包括N台并联的逆变器，选定一台作 为主逆变器，其余的N-1台作为从逆变器；
[0010] 从逆变器控制器内的锁相环能够对系统当前频率和电压幅值进行实时监测，判断 系统当前频率和当前电压幅值E。是否在下式所示的额定工作范围内：
[0011] ?cE[?L，《h]，EcG圧l，EJ;
[0012] 2)当从逆变器监测到系统的当前频率《。低于下限阔值《 ^或高于上限阔值《H 时，频率的二次控制被触发；当从逆变器监测到当前的电压幅值氏低于下限阔值E^或高于 上限阔值Eh时，电压幅值的二次控制被触发；
[0013] 3)当频率或电压幅值的二次控制触发后，从逆变器进入延时等待Tdi的不动作阶 段，然后估算系统的负载功率和从逆变器的下垂特性新偏置值；
[0014] 4)从逆变器进入延时等待Td2的不动作阶段，然后从逆变器停止对系统当前频率 和电压幅值的实时监测；
[0015] 5)从逆变器的控制器修改本身的下垂特性偏置值，使从逆变器输出的功率开始改 变，将步骤3)估算获得的从逆变器的下垂特性新偏置值存入每台从逆变器的控制器中为 下一轮二次调节调用；
[0016] 6)从逆变器进入延时等待Td3的不动作阶段，直至系统达到稳态，从逆变器重新开 启对当前系统频率和电压幅值的实时监测，并重新判断当前频率和电压幅值是否分别稳定 在步骤1)所述的额定工作范围内。
[0017] 在一个高电压或中电压交流微网中，传输线的阻抗呈感性，在逆变器输出电压 EZ<1)和公共连接点电压化Z0之间传输的有功功率P和无功功率Q定义如下式：
[0020] 其中，E和化分别是逆变器输出电压和公共连接点电压，4是两电压E和U曲相 位差，Z是传输线的阻抗值。
[0021] 步骤1)中利用下垂控制将主逆变器控制为电压源，具体控制式如下：
[0022] ?*= ?〇-kp(P-P〇)；
[0023] E*=E〇-k,(Q-Q〇)；
[0024] 其中，和Et分别是下垂控制环节生成的频率和电压的控制指令，P和Q分别是 逆变器检测到的输出有功功率和无功功率；P。和Q。分别是在频率《。和电压E。下逆变器输 出的有功功率和无功功率；kp和k。定义为正，是下垂控制线的斜率；
[0025] 利用下垂控制将从逆变器控制为电流源，控制式如下：
[002引其中，货和《是第n台从逆变器的输出功率指令值，《和E分别是逆变器控制器 监测到的当前系统频率和电压幅值，《'。和E'。分别是当从逆变器输出功率为零时所对 应的系统频率和电压幅值，k'P。和k'。。定义为正，是第n台从逆变器的下垂线斜率，n= 1，2,…，N-1。
[0029] 步骤3)中估算系统的负载功率和从逆变器的下垂特性新偏置值，具体包括如下 步骤：
[0030] (1)按下列公式计算第n台从逆变器当前输出的有功功率和无功功率；
[00引]Pe= P〇+(W厂《e)/kp
[003引Qe=Q0+(B0-Ee)/k。
[0033] Pm=-k'pn(We-W'。）
[0034] Qcn= -k'qn巧c_E'0)
[OCK35] 其中，和E。分别为监测到的当前频率和当前电压幅值，P。和Q。分别为主逆变 器当前输出的有功功率和无功功率，P。。和Q。。分别为第n台从逆变器当前输出的有功功率 和无功功率；
[0036] (2)从逆变器的控制器按下式计算出负载所需的总有功功率Pt和总无功功率Qt;
[0037] Pt=Pe+Pel+Pe2+…+Pc(N-l);
[0038] Qt二Qc+Qci+Qc2+…+Qc扣-1);
[0039] (3)从逆变器按下式计算出经过二次调节后主逆变器输出的有功功率Pf和无功功 率单，即在额定频率下的输出有功功率和额定电压幅值Et下的输出无功功率：
[0040] Pr=P0+ 〇 〇- ?r) /kp;
[004 "Qr=Q0+化-Ef)A。；
[0042] (4)第n台从逆变器在二次调节中承担的负载有功功率Pd。和无功功率Qh由每台 从逆变器计算获得，如下式所示：
[0045] (5)第n台从逆变器的下垂特性的新偏置值由每台从逆变器计算获得，如下式所 示：
[004引其中，《r+P化A'。济￡刮化处'。。为新的从逆变器下垂特性偏置值。
[0049] 与现有技术相比，本发明具有W下有益的技术效果：
[0050] 本发明公开的微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法旨在解决下垂控制逆 变器在功率均分和电压调整率之间的折中问题。该方法中逆变器通过实时监测系统频率和 电压幅值，当频率或电压的偏差较大时，逆变器根据监测到的频率和电压信息，在线估算出 负载的功率需求和自身需要承担的负载功率，然后计算出新的下垂特性。据此，逆变器自动 调整本身的下垂特性偏置，从而可w改变自身的输出功率，帮助恢复系统频率和电压幅值， 有效消除下垂控制带来的频率和电压幅值的偏差。本发明方法不依赖逆变器间的通讯，在 实现对频率和电压幅值的精确控制的同时，还可W实现负载功率在逆变器之间得到与其容 量成正比的均分，为工程应用提供了很好的参考价值。
【附图说明】
[0051] 图1为本发明所提供的二次控制方法的流程图；
[0052] 图2为本发明所提供的新型二次控制中的下垂特性曲线变化图；
[0053] 其中，（a)为负载变化前主从逆变器的下垂特性曲线和稳态工作点；化）为负载变 化后但二次控制尚未开启时的主从逆变器下垂特性曲线和稳态工作点；(C)为二次控制开 启后主从逆变器的下垂特性曲线和稳态工作点；
[0054] 图3为单台逆变器的等效化简电路图；
[0055] 图4为微网中并联逆变器系统的拓扑结构；
[0056] 图5为有功负载增加导致二次控制开启的有功功率和频率的仿真波形图；其中， (a)为主从逆变器输出有功功率的波形图；化）为系统频率的波形图；
[0057] 图6为无功负载增加导致二次控制开启的无功功率和电压幅值的仿真波形图；其 中，（a)为主从逆变器输出无功功率的波形图；化）为电压幅值的波形图。
[0058] 图7为有功负载增加导致二次控制开启的有功功率和频率的实验波形图；其中， (a)为主从逆变器输出有功功率的波形图；化）为系统频率的波形图；
[0059] 图8为无功负载增加导致二次控制开启的无功功率和电压幅值的实验波形图；其 中，（a)为主从逆变器输出无功功率的波形图；化）为电压幅值的波形图。
【具体实施方式】
[0060] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
[0061] 本发明提供了一种旨在消除微网中下垂控制逆变器的频率和电压幅值偏差的新 型二次控制方法，参照图1和图2,图2W有功负载增加为例展示系统调节过程，负载变化前 主从逆变器的稳态工作点如图2(a)所示；当有功负载增加时，系统频率降低，二次控制启 动前主从逆变器的工作状态如图2(b)所示；当二次控制开启后，从逆变器输出有功功率增 加，系统频率恢复至额定值，主从逆变器的稳态工作点如图2(c)所示。
[0062] 其具体实现步骤如下：
[0063] 1)在一个高电压或者中电压交流微网中，传输线的阻抗呈感性，那么在逆变器输 出电压EZ4和公共连接点（PCC)电压化Z0之间传输的有功功率和无功功率就可W用 下列公式来定义：
[0066] 其中，E和化分别是逆变器输出电压和公共连接点（PCC)电压。d)是
[0067] 两电压E和化的相位差。Z是传输线的阻抗值。参见图3。
[0068] 2)在一个N台逆变器并联的系统中，参见图4,选定一台作为主逆变器，利用下垂 控制将其控制为电压源。其频率和电压指令值由下列公式计算产生：
[0069] ?*= ?〇-kp(P-P〇)；
[0070] E*= E〇-k,(Q-Q〇)；
[0071] 其中，《>和6>分别是下垂控制环节生成的频率和电压的控制指令。P和Q分别是 逆变器检测到的输出有功功率和无功功率。P。和Q。分别是在频率《。和电压E。下逆变器 输出的有功功率和无功功率。kp和k。（定义为正）是下垂控制线的斜率。
[0072] 3)将系统中其余N-1台逆变器作为从逆变器，利用下垂控制将其控制为电流源， 其输出功率参考值由下列公式计算产生；
[007引其中，砖和《是第n台从逆 变器的输出功率指令值，《'。和E'。分别是当从逆 变器输出功率为零时所对应的系统频率和电压幅值，k'P。和k'。。（定义为正）是第n台 从逆变器的下垂线斜率，n= 1，2,…，N-1。
[0076] 4)丛逆变器的下垂线斜率根据W下等式来设计：
[0077] k' pi:k' P2:…：k' p(N-l)=Prl:Pr2:...:Pr(N-l)
[007引 k' ":k,。2:…：k' q曲_i)=Qri:Qr2:...:Qr(N-l)
[0079] 其中，Pf。和Qt。分别是第n台逆变器的有功功率和无功功率的容量。
[0080] 5)从逆变器控制器内的锁相环可W实现实时监测系统频率和电压幅值的功能，从 逆变器实时判断系统频率和电压幅值是否在下式所示的额定工作范围内：
[0081] ?G[?L，《h]，EG圧l，EJ
[0082]6)判断二次控制开启与否的条件：
[0083] 当从逆变器监测到系统的当前频率低于下限阔值《咸高于上限阔值《H时， 频率的二次控制将被触发；
[0084] 当从逆变器监测到当前的电压幅值氏低于下限阔值E^或高于上限阔值E8时，电 压幅值的二次控制将被触发。
[0085] 7)当步骤6中开启二次控制的条件满足时，为了确保系统达到稳态，从逆变器将 进入为时Tdi的不动作阶段，随后进入下一步。
[0086] 8)主从逆变器当前的下垂特性都存储在每台从逆变器的控制器中，因此，根据监 测到的当前频率和电压幅值E。，每台从逆变器都可W根据步骤2)中的算式计算出主逆 变器当前输出的有功功率P。和无功功率Q。，根据步骤3)中算式计算出第n台从逆变器当 前输出的有功功率P。。和无功功率Q。。。
[0087] 9)根据步骤8)中的计算结果，从逆变器的控制器可W进一步计算出负载所需的 总有功功率Pt和总无功功率Qt，如下式所示：
[008引 Pt= P e+Pel+Pe2+…+Pcfrl)
[0089] Qt=Qc+Qc1+Qc2+…+Qc(N-1)
[0090] 10)由于二次调节旨在将系统频率和电压幅值恢复至额定值《济6,，因此从逆变 器可W根据步骤2)中算式计算出经过二次调节后主逆变器应该输出的有功功率Pf和无功 功率单，即在频率《t下的输出有功功率和电压幅值Et下的输出无功功率。
[0091] 11)根据步骤4)中的设计规则和步骤9)、10)中的计算结果，第n台从逆变器在二 次调节中需要承担的负载有功功率IV和无功功率Qh可W由每台从逆变器计算获得，如下 式所示：
[0094] 12)根据步骤3)中的算式和步骤11)中的计算结果，第n台从逆变器的下垂特性 的新偏置值可W由每台从逆变器计算获得，如下式所示：
[0097] 13)为了弥补各从逆变器的传感器速度上的差异，从逆变器将进入为时Td2的不 动作阶段，随后进入下一步。
[0098] 14)暂时关闭从逆变器对系统频率和电压幅值的监测功能。从逆变器的控制器修 改本身的下垂特性偏置，使从逆变器输出的功率开始改变。
[009引巧）步骤中《r+P*/k'。济￡刮化处'。。分别作为新的《 '。和E'。被存入 每台从逆变器的控制器中，为下一轮的二次调节所用。
[0100] 16)为了确保系统达到稳态，从逆变器将进入为时Td3的不动作阶段，随后进入下 一步。
[0101] 17)从逆变器重新开启监测系统频率和电压幅值的功能并重新判断频率和电压是 否分别稳定在额定值和Ef。
[0102] 具体的，本发明的仿真模型由一台主逆变器和两台丛逆变器并联构成的系统组 成。参见图5、6给出了采用本发明所描述的二次控制方法的仿真波形，分别为消除有功负 载增加导致的频率跌落和消除无功负载增加导致的电压幅值跌落。图5中，（a)为主从逆 变器输出有功功率的波形图；化）为系统频率的波形图；图6中，（a)为主从逆变器输出无 功功率的波形图；化）为电压幅值的波形图。第3秒时负载增加，第5秒时二次控制开启。 从仿真波形中可W看出，有功负载和无功负载的增加分别会导致系统频率和电压幅值的跌 落，当二次控制开启后，频率和电压能恢复至额定值，从逆变器将代替主逆变器承担绝大部 分的功率。仿真证明了该二次控制方法可W有效的消除频率和电压幅值的偏差，且实现负 载功率的增量在丛逆变器间的均分。
[010引实验平台由S台相同型号的逆变器（MWINV-9R144)并联构成，其中一台作为主逆 变器，另外两台作为丛逆变器。参见图7、8给出了采用本发明所描述的二次控制方法的实 验波形，分别为消除有功负载增加导致的频率跌落和消除无功负载增加导致的电压幅值跌 落。图7中，（a)为主从逆变器输出有功功率的波形图；化）为系统频率的波形图；图8中， (a)为主从逆变器输出无功功率的波形图；化）为电压幅值的波形图。图7所示实验中，第 25秒时负载增加，第35秒时二次控制开启；图8所示实验中，第20秒时负载增加，第30秒 时二次控制开启。从实验波形中可W看出，有功负载和无功负载的增加分别会导致系统频 率和电压幅值的跌落，当二次控制开启后，频率和电压能恢复至额定值，从逆变器将代替主 逆变器承担绝大部分的功率。实验证明了该二次控制方法可W有效的消除频率和电压幅值 的偏差，且实现负载功率的增量在丛逆变器间的均分。
[0104] 本发明中给出一种基于在线负载估算的微网二次控制方法。为了验证控制方法的 可行性，作者在仿真软件PSCAD中搭建了一台主逆变器和两台丛逆变器并联的仿真模型， 并利用S台MWINV-9R144逆变器构建了实验平台进行硬件验证。仿真和实验结果都证明了 该控制方法可W有效的消除下垂控制导致的频率和电压幅值的偏差，并实现负载功率的增 量在丛逆变器间的均分。该方法正确、可靠，为工程应用提供了很好的参考价值。
【主权项】
1. 一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 在一个高电压或中电压交流微网中，系统包括N台并联的逆变器，选定一台作为主 逆变器，其余的N-I台作为从逆变器； 从逆变器控制器内的锁相环能够对系统当前频率和电压幅值进行实时监测，判断系统 当前频率ω。和当前电压幅值E。是否在下式所示的额定工作范围内： ω c e [ ω L, ω H], Ec e [E L, Eh]； 2) 当从逆变器监测到系统的当前频率ω。低于下限阈值或高于上限阈值ω ,时，频 率的二次控制被触发；当从逆变器监测到当前的电压幅值Ε。低于下限阈值&或高于上限阈 值EJt，电压幅值的二次控制被触发； 3) 当频率或电压幅值的二次控制触发后，从逆变器进入延时等待Tdl的不动作阶段，然 后估算系统的负载功率和从逆变器的下垂特性新偏置值； 4) 从逆变器进入延时等待Td2的不动作阶段，然后从逆变器停止对系统当前频率和电 压幅值的实时监测； 5) 从逆变器的控制器修改本身的下垂特性偏置值，使从逆变器输出的功率开始改变， 将步骤3)估算获得的从逆变器的下垂特性新偏置值存入每台从逆变器的控制器中为下一 轮二次调节调用； 6) 从逆变器进入延时等待Td3的不动作阶段，直至系统达到稳态，从逆变器重新开启对 当前系统频率和电压幅值的实时监测，并重新判断当前频率和电压幅值是否分别稳定在步 骤1)所述的额定工作范围内。2. 根据权利要求1所述的一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法，其特征在 于，传输线的阻抗呈感性，在逆变器输出电压EZ Φ和公共连接点电压O之间传输的 有功功率P和无功功率Q定义如下式：其中，分别是逆变器输出电压和公共连接点电压，Φ是两电压E和I的相位差， Z是传输线的阻抗值。3. 根据权利要求2所述的一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法，其特征在 于，步骤1)中利用下垂控制将主逆变器控制为电压源，具体控制式如下： ω*= ω 〇_kp (P-P0)； E*= E〇-kq(Q-Q〇)； 其中，ω?Ρ E #分别是下垂控制环节生成的频率和电压的控制指令，P和Q分别是逆变 器检测到的输出有功功率和无功功率；Ptl和Q 〇分别是在频率ω ^和电压E ^下逆变器输出的 有功功率和无功功率；kp和k 5定义为正，是下垂控制线的斜率； 利用下垂控制将从逆变器控制为电流源，控制式如下：其中，< 和δ?是第η台从逆变器的输出功率指令值，ω和E分别是逆变器控制器监 测到的当前系统频率和电压幅值，ω' jP E'。分别是当从逆变器输出功率为零时所对 应的系统频率和电压幅值，k' pjPk' qn定义为正，是第η台从逆变器的下垂线斜率，η = I, 2, -,Ν-1〇4.根据权利要求3所述的一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法，其特征在 于，步骤3)中估算系统的负载功率和从逆变器的下垂特性新偏置值，具体包括如下步骤： (1) 按下列公式计算第η台从逆变器当前输出的有功功率和无功功率； Pc= Ρ〇+(ω〇-ωε)Αρ Qc= Qo+(E0-Ec)AqPcn= _k，ρη(ω€-ω' 〇) Qcn= _k，qn (Ec-Er 〇) 其中，ω。和E。分别为监测到的当前频率和当前电压幅值，P。和Q。分别为主逆变器当 前输出的有功功率和无功功率，PcJP Q。"分别为第η台从逆变器当前输出的有功功率和无 功功率； (2) 从逆变器的控制器按下式计算出负载所需的总有功功率Pt和总无功功率Q t: Pt= P C+Pcl+Pc2 + ***+Pc(N-I)； Qt= Qc+Qcl+Qc2+…+Q c(N-；〇; (3) 从逆变器按下式计算出经过二次调节后主逆变器输出的有功功率匕和无功功率 Qp即在额定频率下的输出有功功率和额定电压幅值E ^下的输出无功功率： Pr= P〇+(w〇-wr)/kp; Qr= Q 〇+(E0-Er)/kq； (4) 第η台从逆变器在二次调节中承担的负载有功功率Pdn和无功功率Q &由每台从逆 变器计算获得，如下式所示：(5) 第η台从逆变器的下垂特性的新偏置值由每台从逆变器计算获得，如下式所示：其中，c^+Pdn/k' _和1+(^八'qn为新的从逆变器下垂特性偏置值。
【专利摘要】本发明公开了一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法，属于微网中并联逆变器的协调控制领域，该方法中逆变器通过实时监测系统频率和电压幅值，当频率或电压的偏差较大时，逆变器根据监测到的频率和电压信息，在线估算出负载的功率需求和自身需要承担的负载功率，然后计算出新的下垂特性。据此，逆变器自动调整本身的下垂特性偏置，从而可以改变自身的输出功率，帮助恢复系统频率和电压幅值，有效消除下垂控制带来的频率和电压幅值的偏差。本发明方法不依赖逆变器间的通讯，在实现对频率和电压幅值的精确控制的同时，还可以实现负载功率在逆变器之间得到与其容量成正比的均分，为工程应用提供了很好的参考价值。
【IPC分类】H02J3/16, H02J3/38
【公开号】CN104901334
【申请号】CN201510283625
【发明人】刘进军, 武腾, 刘增, 王施珂, 刘宝谨
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月28日
【技术领域】
[0001] 本发明属于微网中并联逆变器的协调控制领域，具体设及一种微网中并联逆变器 的无互联线二次控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着环境和能源危机的日益加深，微网的概念得到了越来越多的关注和应用。微 网是结合了分布式电源和互联负载的能源系统。大多数情况下，微网通过电力电子接口，例 如逆变器，与母线相连接。因此，并联逆变器间的协调控制是微网可W稳定高效运行的关键 因素之一。
[0003] 由于分布式电源地理位置上的分散性，在并联电源之间利用通讯线来传递信号往 往并不是一个好的办法，因为该会增加成本并且线路上的噪音也会干扰通讯质量。在该种 情况下，下垂控制的应用可W在不使用通讯线前提下实现并联电源间功率的均分。
[0004] 然而，下垂控制也会带来一些缺陷，例如功率控制间的禪合导致的不稳定性、无功 功率的均分特性差W及频率和电压幅值的偏差。其中，频率和电压幅值的偏差是由下垂控 制在功率均分和电压调整率间固有的折中问题引起的。为了解决该个问题，二次控制被广 泛的应用。不少研究都致力于利用二次控制来消除下垂控制带来的频率和电压幅值的偏 差。
[0005] 有文献提出利用中央控制器为并联逆变器同步地发送频率和电压的补偿指令的 方法。该种方法虽然可W有效消除频率和电压幅值的偏差，但是中央控制器一旦故障，整个 系统将无法运行，其可靠性不高。还有文献提出利用分布式控制器代替中央控制器从而提 高系统可靠性的方法。然而，并联逆变器控制器参数的不同会导致逆变器的稳定工作点不 同，进而影响功率均分特性；并且，通讯线的应用限制了逆变器地理位置上的分布性，增加 了成本，降低了抗干扰性。因此，一种无互联线的二次控制策略将更具有竞争力。有文献提 出可控下垂定位方法，该方法可W根据负载功率自动调整主逆变器的下垂偏置，使主逆变 器承担负载功率的变化，从而实现频率和电压幅值的恢复。然而，该方法对主逆变器的功率 容量要求很高，在工程实际应用中受限。
【发明内容】
[0006] 为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种微网中并联逆变 器的无互联线二次控制方法，该方法能够实现负载功率在逆变器之间得到与其容量成正比 的均分，从而实现对频率和电压幅值的精确控制。
[0007] 本发明是通过W下技术方案来实现：
[000引一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法，包括W下步骤：
[000引 1)在一个高电压或中电压交流微网中，系统包括N台并联的逆变器，选定一台作 为主逆变器，其余的N-1台作为从逆变器；
[0010] 从逆变器控制器内的锁相环能够对系统当前频率和电压幅值进行实时监测，判断 系统当前频率和当前电压幅值E。是否在下式所示的额定工作范围内：
[0011] ?cE[?L，《h]，EcG圧l，EJ;
[0012] 2)当从逆变器监测到系统的当前频率《。低于下限阔值《 ^或高于上限阔值《H 时，频率的二次控制被触发；当从逆变器监测到当前的电压幅值氏低于下限阔值E^或高于 上限阔值Eh时，电压幅值的二次控制被触发；
[0013] 3)当频率或电压幅值的二次控制触发后，从逆变器进入延时等待Tdi的不动作阶 段，然后估算系统的负载功率和从逆变器的下垂特性新偏置值；
[0014] 4)从逆变器进入延时等待Td2的不动作阶段，然后从逆变器停止对系统当前频率 和电压幅值的实时监测；
[0015] 5)从逆变器的控制器修改本身的下垂特性偏置值，使从逆变器输出的功率开始改 变，将步骤3)估算获得的从逆变器的下垂特性新偏置值存入每台从逆变器的控制器中为 下一轮二次调节调用；
[0016] 6)从逆变器进入延时等待Td3的不动作阶段，直至系统达到稳态，从逆变器重新开 启对当前系统频率和电压幅值的实时监测，并重新判断当前频率和电压幅值是否分别稳定 在步骤1)所述的额定工作范围内。
[0017] 在一个高电压或中电压交流微网中，传输线的阻抗呈感性，在逆变器输出电压 EZ<1)和公共连接点电压化Z0之间传输的有功功率P和无功功率Q定义如下式：
[0020] 其中，E和化分别是逆变器输出电压和公共连接点电压，4是两电压E和U曲相 位差，Z是传输线的阻抗值。
[0021] 步骤1)中利用下垂控制将主逆变器控制为电压源，具体控制式如下：
[0022] ?*= ?〇-kp(P-P〇)；
[0023] E*=E〇-k,(Q-Q〇)；
[0024] 其中，和Et分别是下垂控制环节生成的频率和电压的控制指令，P和Q分别是 逆变器检测到的输出有功功率和无功功率；P。和Q。分别是在频率《。和电压E。下逆变器输 出的有功功率和无功功率；kp和k。定义为正，是下垂控制线的斜率；
[0025] 利用下垂控制将从逆变器控制为电流源，控制式如下：
[002引其中，货和《是第n台从逆变器的输出功率指令值，《和E分别是逆变器控制器 监测到的当前系统频率和电压幅值，《'。和E'。分别是当从逆变器输出功率为零时所对 应的系统频率和电压幅值，k'P。和k'。。定义为正，是第n台从逆变器的下垂线斜率，n= 1，2,…，N-1。
[0029] 步骤3)中估算系统的负载功率和从逆变器的下垂特性新偏置值，具体包括如下 步骤：
[0030] (1)按下列公式计算第n台从逆变器当前输出的有功功率和无功功率；
[00引]Pe= P〇+(W厂《e)/kp
[003引Qe=Q0+(B0-Ee)/k。
[0033] Pm=-k'pn(We-W'。）
[0034] Qcn= -k'qn巧c_E'0)
[OCK35] 其中，和E。分别为监测到的当前频率和当前电压幅值，P。和Q。分别为主逆变 器当前输出的有功功率和无功功率，P。。和Q。。分别为第n台从逆变器当前输出的有功功率 和无功功率；
[0036] (2)从逆变器的控制器按下式计算出负载所需的总有功功率Pt和总无功功率Qt;
[0037] Pt=Pe+Pel+Pe2+…+Pc(N-l);
[0038] Qt二Qc+Qci+Qc2+…+Qc扣-1);
[0039] (3)从逆变器按下式计算出经过二次调节后主逆变器输出的有功功率Pf和无功功 率单，即在额定频率下的输出有功功率和额定电压幅值Et下的输出无功功率：
[0040] Pr=P0+ 〇 〇- ?r) /kp;
[004 "Qr=Q0+化-Ef)A。；
[0042] (4)第n台从逆变器在二次调节中承担的负载有功功率Pd。和无功功率Qh由每台 从逆变器计算获得，如下式所示：
[0045] (5)第n台从逆变器的下垂特性的新偏置值由每台从逆变器计算获得，如下式所 示：
[004引其中，《r+P化A'。济￡刮化处'。。为新的从逆变器下垂特性偏置值。
[0049] 与现有技术相比，本发明具有W下有益的技术效果：
[0050] 本发明公开的微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法旨在解决下垂控制逆 变器在功率均分和电压调整率之间的折中问题。该方法中逆变器通过实时监测系统频率和 电压幅值，当频率或电压的偏差较大时，逆变器根据监测到的频率和电压信息，在线估算出 负载的功率需求和自身需要承担的负载功率，然后计算出新的下垂特性。据此，逆变器自动 调整本身的下垂特性偏置，从而可w改变自身的输出功率，帮助恢复系统频率和电压幅值， 有效消除下垂控制带来的频率和电压幅值的偏差。本发明方法不依赖逆变器间的通讯，在 实现对频率和电压幅值的精确控制的同时，还可W实现负载功率在逆变器之间得到与其容 量成正比的均分，为工程应用提供了很好的参考价值。
【附图说明】
[0051] 图1为本发明所提供的二次控制方法的流程图；
[0052] 图2为本发明所提供的新型二次控制中的下垂特性曲线变化图；
[0053] 其中，（a)为负载变化前主从逆变器的下垂特性曲线和稳态工作点；化）为负载变 化后但二次控制尚未开启时的主从逆变器下垂特性曲线和稳态工作点；(C)为二次控制开 启后主从逆变器的下垂特性曲线和稳态工作点；
[0054] 图3为单台逆变器的等效化简电路图；
[0055] 图4为微网中并联逆变器系统的拓扑结构；
[0056] 图5为有功负载增加导致二次控制开启的有功功率和频率的仿真波形图；其中， (a)为主从逆变器输出有功功率的波形图；化）为系统频率的波形图；
[0057] 图6为无功负载增加导致二次控制开启的无功功率和电压幅值的仿真波形图；其 中，（a)为主从逆变器输出无功功率的波形图；化）为电压幅值的波形图。
[0058] 图7为有功负载增加导致二次控制开启的有功功率和频率的实验波形图；其中， (a)为主从逆变器输出有功功率的波形图；化）为系统频率的波形图；
[0059] 图8为无功负载增加导致二次控制开启的无功功率和电压幅值的实验波形图；其 中，（a)为主从逆变器输出无功功率的波形图；化）为电压幅值的波形图。
【具体实施方式】
[0060] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
[0061] 本发明提供了一种旨在消除微网中下垂控制逆变器的频率和电压幅值偏差的新 型二次控制方法，参照图1和图2,图2W有功负载增加为例展示系统调节过程，负载变化前 主从逆变器的稳态工作点如图2(a)所示；当有功负载增加时，系统频率降低，二次控制启 动前主从逆变器的工作状态如图2(b)所示；当二次控制开启后，从逆变器输出有功功率增 加，系统频率恢复至额定值，主从逆变器的稳态工作点如图2(c)所示。
[0062] 其具体实现步骤如下：
[0063] 1)在一个高电压或者中电压交流微网中，传输线的阻抗呈感性，那么在逆变器输 出电压EZ4和公共连接点（PCC)电压化Z0之间传输的有功功率和无功功率就可W用 下列公式来定义：
[0066] 其中，E和化分别是逆变器输出电压和公共连接点（PCC)电压。d)是
[0067] 两电压E和化的相位差。Z是传输线的阻抗值。参见图3。
[0068] 2)在一个N台逆变器并联的系统中，参见图4,选定一台作为主逆变器，利用下垂 控制将其控制为电压源。其频率和电压指令值由下列公式计算产生：
[0069] ?*= ?〇-kp(P-P〇)；
[0070] E*= E〇-k,(Q-Q〇)；
[0071] 其中，《>和6>分别是下垂控制环节生成的频率和电压的控制指令。P和Q分别是 逆变器检测到的输出有功功率和无功功率。P。和Q。分别是在频率《。和电压E。下逆变器 输出的有功功率和无功功率。kp和k。（定义为正）是下垂控制线的斜率。
[0072] 3)将系统中其余N-1台逆变器作为从逆变器，利用下垂控制将其控制为电流源， 其输出功率参考值由下列公式计算产生；
[007引其中，砖和《是第n台从逆 变器的输出功率指令值，《'。和E'。分别是当从逆 变器输出功率为零时所对应的系统频率和电压幅值，k'P。和k'。。（定义为正）是第n台 从逆变器的下垂线斜率，n= 1，2,…，N-1。
[0076] 4)丛逆变器的下垂线斜率根据W下等式来设计：
[0077] k' pi:k' P2:…：k' p(N-l)=Prl:Pr2:...:Pr(N-l)
[007引 k' ":k,。2:…：k' q曲_i)=Qri:Qr2:...:Qr(N-l)
[0079] 其中，Pf。和Qt。分别是第n台逆变器的有功功率和无功功率的容量。
[0080] 5)从逆变器控制器内的锁相环可W实现实时监测系统频率和电压幅值的功能，从 逆变器实时判断系统频率和电压幅值是否在下式所示的额定工作范围内：
[0081] ?G[?L，《h]，EG圧l，EJ
[0082]6)判断二次控制开启与否的条件：
[0083] 当从逆变器监测到系统的当前频率低于下限阔值《咸高于上限阔值《H时， 频率的二次控制将被触发；
[0084] 当从逆变器监测到当前的电压幅值氏低于下限阔值E^或高于上限阔值E8时，电 压幅值的二次控制将被触发。
[0085] 7)当步骤6中开启二次控制的条件满足时，为了确保系统达到稳态，从逆变器将 进入为时Tdi的不动作阶段，随后进入下一步。
[0086] 8)主从逆变器当前的下垂特性都存储在每台从逆变器的控制器中，因此，根据监 测到的当前频率和电压幅值E。，每台从逆变器都可W根据步骤2)中的算式计算出主逆 变器当前输出的有功功率P。和无功功率Q。，根据步骤3)中算式计算出第n台从逆变器当 前输出的有功功率P。。和无功功率Q。。。
[0087] 9)根据步骤8)中的计算结果，从逆变器的控制器可W进一步计算出负载所需的 总有功功率Pt和总无功功率Qt，如下式所示：
[008引 Pt= P e+Pel+Pe2+…+Pcfrl)
[0089] Qt=Qc+Qc1+Qc2+…+Qc(N-1)
[0090] 10)由于二次调节旨在将系统频率和电压幅值恢复至额定值《济6,，因此从逆变 器可W根据步骤2)中算式计算出经过二次调节后主逆变器应该输出的有功功率Pf和无功 功率单，即在频率《t下的输出有功功率和电压幅值Et下的输出无功功率。
[0091] 11)根据步骤4)中的设计规则和步骤9)、10)中的计算结果，第n台从逆变器在二 次调节中需要承担的负载有功功率IV和无功功率Qh可W由每台从逆变器计算获得，如下 式所示：
[0094] 12)根据步骤3)中的算式和步骤11)中的计算结果，第n台从逆变器的下垂特性 的新偏置值可W由每台从逆变器计算获得，如下式所示：
[0097] 13)为了弥补各从逆变器的传感器速度上的差异，从逆变器将进入为时Td2的不 动作阶段，随后进入下一步。
[0098] 14)暂时关闭从逆变器对系统频率和电压幅值的监测功能。从逆变器的控制器修 改本身的下垂特性偏置，使从逆变器输出的功率开始改变。
[009引巧）步骤中《r+P*/k'。济￡刮化处'。。分别作为新的《 '。和E'。被存入 每台从逆变器的控制器中，为下一轮的二次调节所用。
[0100] 16)为了确保系统达到稳态，从逆变器将进入为时Td3的不动作阶段，随后进入下 一步。
[0101] 17)从逆变器重新开启监测系统频率和电压幅值的功能并重新判断频率和电压是 否分别稳定在额定值和Ef。
[0102] 具体的，本发明的仿真模型由一台主逆变器和两台丛逆变器并联构成的系统组 成。参见图5、6给出了采用本发明所描述的二次控制方法的仿真波形，分别为消除有功负 载增加导致的频率跌落和消除无功负载增加导致的电压幅值跌落。图5中，（a)为主从逆 变器输出有功功率的波形图；化）为系统频率的波形图；图6中，（a)为主从逆变器输出无 功功率的波形图；化）为电压幅值的波形图。第3秒时负载增加，第5秒时二次控制开启。 从仿真波形中可W看出，有功负载和无功负载的增加分别会导致系统频率和电压幅值的跌 落，当二次控制开启后，频率和电压能恢复至额定值，从逆变器将代替主逆变器承担绝大部 分的功率。仿真证明了该二次控制方法可W有效的消除频率和电压幅值的偏差，且实现负 载功率的增量在丛逆变器间的均分。
[010引实验平台由S台相同型号的逆变器（MWINV-9R144)并联构成，其中一台作为主逆 变器，另外两台作为丛逆变器。参见图7、8给出了采用本发明所描述的二次控制方法的实 验波形，分别为消除有功负载增加导致的频率跌落和消除无功负载增加导致的电压幅值跌 落。图7中，（a)为主从逆变器输出有功功率的波形图；化）为系统频率的波形图；图8中， (a)为主从逆变器输出无功功率的波形图；化）为电压幅值的波形图。图7所示实验中，第 25秒时负载增加，第35秒时二次控制开启；图8所示实验中，第20秒时负载增加，第30秒 时二次控制开启。从实验波形中可W看出，有功负载和无功负载的增加分别会导致系统频 率和电压幅值的跌落，当二次控制开启后，频率和电压能恢复至额定值，从逆变器将代替主 逆变器承担绝大部分的功率。实验证明了该二次控制方法可W有效的消除频率和电压幅值 的偏差，且实现负载功率的增量在丛逆变器间的均分。
[0104] 本发明中给出一种基于在线负载估算的微网二次控制方法。为了验证控制方法的 可行性，作者在仿真软件PSCAD中搭建了一台主逆变器和两台丛逆变器并联的仿真模型， 并利用S台MWINV-9R144逆变器构建了实验平台进行硬件验证。仿真和实验结果都证明了 该控制方法可W有效的消除下垂控制导致的频率和电压幅值的偏差，并实现负载功率的增 量在丛逆变器间的均分。该方法正确、可靠，为工程应用提供了很好的参考价值。
【主权项】
1. 一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 在一个高电压或中电压交流微网中，系统包括N台并联的逆变器，选定一台作为主 逆变器，其余的N-I台作为从逆变器； 从逆变器控制器内的锁相环能够对系统当前频率和电压幅值进行实时监测，判断系统 当前频率ω。和当前电压幅值E。是否在下式所示的额定工作范围内： ω c e [ ω L, ω H], Ec e [E L, Eh]； 2) 当从逆变器监测到系统的当前频率ω。低于下限阈值或高于上限阈值ω ,时，频 率的二次控制被触发；当从逆变器监测到当前的电压幅值Ε。低于下限阈值&或高于上限阈 值EJt，电压幅值的二次控制被触发； 3) 当频率或电压幅值的二次控制触发后，从逆变器进入延时等待Tdl的不动作阶段，然 后估算系统的负载功率和从逆变器的下垂特性新偏置值； 4) 从逆变器进入延时等待Td2的不动作阶段，然后从逆变器停止对系统当前频率和电 压幅值的实时监测； 5) 从逆变器的控制器修改本身的下垂特性偏置值，使从逆变器输出的功率开始改变， 将步骤3)估算获得的从逆变器的下垂特性新偏置值存入每台从逆变器的控制器中为下一 轮二次调节调用； 6) 从逆变器进入延时等待Td3的不动作阶段，直至系统达到稳态，从逆变器重新开启对 当前系统频率和电压幅值的实时监测，并重新判断当前频率和电压幅值是否分别稳定在步 骤1)所述的额定工作范围内。2. 根据权利要求1所述的一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法，其特征在 于，传输线的阻抗呈感性，在逆变器输出电压EZ Φ和公共连接点电压O之间传输的 有功功率P和无功功率Q定义如下式：其中，分别是逆变器输出电压和公共连接点电压，Φ是两电压E和I的相位差， Z是传输线的阻抗值。3. 根据权利要求2所述的一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法，其特征在 于，步骤1)中利用下垂控制将主逆变器控制为电压源，具体控制式如下： ω*= ω 〇_kp (P-P0)； E*= E〇-kq(Q-Q〇)； 其中，ω?Ρ E #分别是下垂控制环节生成的频率和电压的控制指令，P和Q分别是逆变 器检测到的输出有功功率和无功功率；Ptl和Q 〇分别是在频率ω ^和电压E ^下逆变器输出的 有功功率和无功功率；kp和k 5定义为正，是下垂控制线的斜率； 利用下垂控制将从逆变器控制为电流源，控制式如下：其中，< 和δ?是第η台从逆变器的输出功率指令值，ω和E分别是逆变器控制器监 测到的当前系统频率和电压幅值，ω' jP E'。分别是当从逆变器输出功率为零时所对 应的系统频率和电压幅值，k' pjPk' qn定义为正，是第η台从逆变器的下垂线斜率，η = I, 2, -,Ν-1〇4.根据权利要求3所述的一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法，其特征在 于，步骤3)中估算系统的负载功率和从逆变器的下垂特性新偏置值，具体包括如下步骤： (1) 按下列公式计算第η台从逆变器当前输出的有功功率和无功功率； Pc= Ρ〇+(ω〇-ωε)Αρ Qc= Qo+(E0-Ec)AqPcn= _k，ρη(ω€-ω' 〇) Qcn= _k，qn (Ec-Er 〇) 其中，ω。和E。分别为监测到的当前频率和当前电压幅值，P。和Q。分别为主逆变器当 前输出的有功功率和无功功率，PcJP Q。"分别为第η台从逆变器当前输出的有功功率和无 功功率； (2) 从逆变器的控制器按下式计算出负载所需的总有功功率Pt和总无功功率Q t: Pt= P C+Pcl+Pc2 + ***+Pc(N-I)； Qt= Qc+Qcl+Qc2+…+Q c(N-；〇; (3) 从逆变器按下式计算出经过二次调节后主逆变器输出的有功功率匕和无功功率 Qp即在额定频率下的输出有功功率和额定电压幅值E ^下的输出无功功率： Pr= P〇+(w〇-wr)/kp; Qr= Q 〇+(E0-Er)/kq； (4) 第η台从逆变器在二次调节中承担的负载有功功率Pdn和无功功率Q &由每台从逆 变器计算获得，如下式所示：(5) 第η台从逆变器的下垂特性的新偏置值由每台从逆变器计算获得，如下式所示：其中，c^+Pdn/k' _和1+(^八'qn为新的从逆变器下垂特性偏置值。
【专利摘要】本发明公开了一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法，属于微网中并联逆变器的协调控制领域，该方法中逆变器通过实时监测系统频率和电压幅值，当频率或电压的偏差较大时，逆变器根据监测到的频率和电压信息，在线估算出负载的功率需求和自身需要承担的负载功率，然后计算出新的下垂特性。据此，逆变器自动调整本身的下垂特性偏置，从而可以改变自身的输出功率，帮助恢复系统频率和电压幅值，有效消除下垂控制带来的频率和电压幅值的偏差。本发明方法不依赖逆变器间的通讯，在实现对频率和电压幅值的精确控制的同时，还可以实现负载功率在逆变器之间得到与其容量成正比的均分，为工程应用提供了很好的参考价值。
【IPC分类】H02J3/16, H02J3/38
【公开号】CN104901334
【申请号】CN201510283625
【发明人】刘进军, 武腾, 刘增, 王施珂, 刘宝谨
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月28日
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