[发明专利]一种采用母线电压补偿的微电网多逆变器并联运行控制方法

摘要

本发明公开了一种采用母线电压补偿的微电网多逆变器并联运行控制方法，集中控制器对公共母线电压进行采集并提取其基波负序分量以及特征次谐波正负序分量，通过低带宽通信将dq坐标系下的公共母线电压分量传输至各并联逆变器的本地控制器中；在本地控制器中计算特征次谐波正负序补偿电压向量，并将其与参考电压向量以及虚拟阻抗电压向量叠加运算，合成并修正电压调节参考向量，通过逆变器电压电流控制实现公共母线电压不平衡补偿和谐波抑制。应用本发明于公共母线接有三相不平衡负载和非线性负载的孤岛微电网多逆变器并联系统中，可维持微电网三相电压的平衡、降低三相逆变器输出电压畸变，各并联逆变器的输出功率得到精确分配。

主权项

一种采用母线电压补偿的微电网多逆变器并联运行控制方法，其特征在于，该方法在孤岛微电网多逆变器并联系统运行，所述孤岛微电网多逆变器并联系统包括若干分布式发电单元、公共母线、非线性负载、三相不平衡负载、集中控制器，所述若干分布式发电单元之间并联连接，所述若干分布式发电单元通过馈线连接所述公共母线，所述公共母线上设有所述非线性负载、所述三相不平衡负载及所述集中控制器，所述分布式发电单元包括顺次连接的微源、三相全桥逆变电路、滤波电感L、滤波电容C、馈线，所述分布式发电单元还包括本地控制器、驱动保护电路，所述三相全桥逆变电路包括六个功率开关管；所述集中控制器对所述公共母线电压进行采样处理和计算，所述集中控制器的输出量通过低带宽通信传送至所述若干分布式发电单元的本地控制器中，所述本地控制器输出量通过所述驱动保护电路驱动所述三相全桥逆变电路中六个功率开关管的开通与关断；具体步骤包括：(1)集中控制器对公共母线电压向量vabc进行采样、处理与计算，得到dq坐标系下公共母线电压基波负序向量vdq1‑、h次谐波分量正序向量vdqh+以及h次谐波分量负序向量vdqh‑，并通过低带宽通信输送至各分布式发电单元的本地控制器中；其中，h是指特征次谐波的次数，h＝3,5,7,9；g、集中控制器利用锁相环PLL捕获得到公共母线电压向量vabc的角频率ωpcc；包括步骤如下：h、参考‑ωpcc，将vabc进行abc‑dq坐标变换，得出的值通过低通滤波LPF，得到公共母线电压基波负序向量vdq1‑；参考hωpcc，将vabc进行abc‑dq坐标变换，得出的值通过低通滤波LPF，得到公共母线电压h次谐波分量正序向量vdqh+；参考‑hωpcc，将vabc进行abc‑dq坐标变换，得出的值通过低通滤波LPF，得到公共母线电压h次谐波分量负序向量vdqh‑；vabc通过abc‑dq坐标变换至vdq1‑的计算公式如式(XIII)所示：vdq1-=23cos(-ωpcct)cos(-ωpcct-2π/3)cos(-ωpcct-4π/3)-sin(-ωpcct)-sin(-ωpcct-2π/3)-sin(-ωpcct-4π/3)vabc---(XIII)]]>vabc通过abc‑dq坐标变换至vdqh+的计算公式如式(XIV)所示：vdqh+=23cos(hωpcct)cos(hωpcct-2π/3)cos(hωpcct-4π/3)-sin(hωpcct)-sin(hωpcct-2π/3)-sin(hωpcct-4π/3)vabc---(XIV)]]>vabc通过abc‑dq坐标变换至vdqh‑的计算公式如式(XV)所示：vdqh-=23cos(-hωpcct)cos(-hωpcct-2π/3)cos(-hωpcct-4π/3)-sin(-hωpcct)-sin(-hωpcct-2π/3)-sin(-hωpcct-4π/3)vabc---(XV);]]>(2)在每个采样周期的起始点，各分布式发电单元的本地控制器对滤波电感电流向量iLabc、滤波电容电压向量voabc、馈线电流向量ioabc分别进行采样与处理；其中，iLabc＝[iLa iLb iLc]T，voabc＝[voa vob voc]T，ioabc＝[ioa iob ioc]T；iLa、iLb、iLc分别为滤波电感电流向量iLabc中a相、b相、c相电流值，voa、vob、voc分别为滤波电容电压向量voabc中a相、b相、c相电压值，ioa、iob、ioc分别为馈线电流向量ioabc中a相、b相、c相电流值；(3)在各分布式发电单元的本地控制器中，采用abc‑αβ坐标变换，将滤波电容电压向量voabc变换为αβ坐标系下滤波电容电压向量voαβ，将馈线电流向量ioabc变换为αβ坐标系下馈线电流向量ioαβ；(4)分别提取voαβ、ioαβ的基波正序分量，得到滤波电容电压基波正序向量voαβ+、馈线电流基波正序向量ioαβ+；其中，voαβ+＝[voα+ voβ+]T，ioαβ+＝[ioα+ ioβ+]T；voα+、voβ+分别为αβ坐标系下滤波电容电压基波正序向量voαβ+的α坐标分量、β坐标分量；ioα+、ioβ+分别为αβ坐标系下馈线电流基波正序向量ioαβ+的α坐标分量、β坐标分量；计算公式如式(Ⅰ)所示：voαβ+=voα+voβ+=121-q′q′1voαβioαβ+=ioα+ioβ+=121-q′q′1ioαβ---(I)]]>式(Ⅰ)中，q′为时域内的相移，q′＝e‑jπ/2，j2＝‑1；(5)基波正序功率计算，根据滤波电容电压基波正序向量voαβ+和馈线电流基波正序向量ioαβ+计算出基波正序有功功率P+和基波正序无功功率Q+；计算公式如式(II)所示：P+Q+=voα+voβ+voβ+-voα+ioα+ioβ+---(II);]]>(6)基波正序功率控制，由基波正序有功功率P+和基波正序无功功率Q+计算出参考电压幅值E和参考电压相位角φ；计算公式如式(Ⅲ)所示：φ=1s(ω*-miP+)E=E*-niQ+---(III)]]>式(Ⅲ)中，E*为空载电压幅值参考值，ω*为空载电压角频率参考值；mi为有功功率下垂系数，ni为无功功率下垂系数；s为复频率；在含有N个不同额定容量逆变器的孤岛微电网中，N个逆变器的下垂系数和各自的额定容量之间需满足的关系如式(IV)所示：m1S0,1=m2S0,2=...=miS0,i=...=mNS0,Nn1S0,1=n2S0,2=...=niS0,i=...=nNS0,N---(IV)]]>式(IV)中，m1至mN表示序号从1至N的各逆变器的有功功率下垂系数，n1至nN表示序号从1至N的各逆变器的无功功率下垂系数；S0,1至S0,N表示序号从1至N的各逆变器的额定容量；(7)参考电压合成，根据参考电压幅值E和参考电压相位角φ合成参考电压向量vref；计算公式如式(Ⅴ)所示：vref=vrefavrefbvrefc=EsinφEsin(φ-2π/3)Esin(φ+2π/3)---(V)]]>式(Ⅴ)中，vrefa、vrefb、vrefc分别为参考电压向量vref的a相、b相、c相电压值；(8)采用abc‑αβ坐标变换，将参考电压向量vref变换成αβ坐标系下参考电压向量vrefαβ；(9)αβ坐标系下馈线电流向量ioαβ与虚拟阻抗进行运算，得到αβ坐标系下虚拟阻抗电压向量vvαβ；具体计算步骤包括：i、对αβ坐标系下馈线电流向量ioαβ提取基波正序分量ioα1+、ioβ1+和基波负序分量ioα1‑、ioβ1‑，提取基波正序分量ioα1+、ioβ1+的计算公式如式(XVI)所示：ioα1+ioβ1+=121-q′q′1ioαβ---(XVI),]]>提取基波负序分量ioα1‑、ioβ1‑的计算公式如式(XVII)所示：ioα1-ioβ1-=121q′-q′1ioαβ---(XVII);]]>式(XVI)及式(XVII)中，q′为时域内的相移，q′＝e‑jπ/2，j2＝‑1；采用滑窗离散傅里叶变换SDFT提取αβ坐标系下馈线电流向量ioαβ的h次谐波分量ioαh和ioβh，滑窗离散傅里叶变换SDFT的传递函数HSDFT(z)如式(XVIII)所示：HSDFT(z)=1-z-N1-ej2πh/Nz-1---(XVIII)]]>式(XVIII)中，N为一个工频周期的采样点数，h为对应的特征次谐波的次数，j为虚数单位，且j2＝‑1；j、计算αβ坐标系下虚拟阻抗电压向量vvαβ的α坐标分量vvα和β坐标分量vvβ，计算公式如式(XIX)所示：vvα=ioα1+Rv1++ioα1-Rv11-ioβ1+ω0Lv+Σh=3,5,7,9ioαhRvhvvβ=ioβ1+Rv1++ioα1+ω0Lv+ioβ1-Rv1-+Σh=3,5,7,9ioβhRvh---(XIX)]]>式(XIX)中，Rv1+为基波正序虚拟电阻，Rv1‑为基波负序虚拟电阻，ω0为额定角频率，Lv为基波正序虚拟电感，Rvh为h次谐波虚拟电阻；在含有N个不同额定容量逆变器的孤岛微电网中，N个逆变器的基波正序虚拟电阻Rv1+、基波负序虚拟电阻Rv1‑、基波正序虚拟电感Lv、h次谐波虚拟电阻Rvh皆与其各自的额定容量呈反比例关系；对αβ坐标系下虚拟阻抗电压向量vvαβ而言，vvαβ＝[vvα vvβ]T；(10)利用PLL锁相环捕获滤波电容电压向量voabc的相位角θvo；(11)特征次谐波正负序补偿电压计算，通过αβ坐标系下馈线电流向量ioαβ的α坐标分量ioα、滤波电容电压向量voabc相位角θvo以及dq坐标系下公共母线电压基波负序向量vdq1‑、h次谐波分量正序向量vdqh+、h次谐波分量负序向量vdqh‑，计算出特征次谐波正负序补偿电压向量vc；计算步骤包括：a、对αβ坐标系下馈线电流向量ioαβ的α坐标分量ioα提取基波和谐波，得到ioα的基波分量ioα1以及h次谐波分量ioαh；b、提取ioα1和ioαh的正序负序分量，得到ioα1的正序分量ioα1+和负序分量ioα1‑，以及ioαh的正序分量ioαh+和负序分量ioαh‑；c、分别计算ioα1+、ioα1‑及至ioαh+、ioαh‑的有效值，得到Ioα1+、Ioα1‑及至Ioαh+、Ioαh‑；d、对有效值Ioα1+、Ioα1‑及至Ioαh+、Ioαh‑作如下运算，分别求取Ioα1‑与Ioα1+的比值HD1‑、Ioαh+与Ioα1+的比值HDh+、Ioαh‑与Ioα1+的比值HDh‑；运算公式如式(Ⅵ)所示：HD1-=Ioα1-Ioα1+...HDh+=Ioαh+Ioα1+HDh-=Ioαh-Ioα1+---(VI);]]>e、参考‑θvo，将dq坐标系下公共母线电压基波负序向量vdq1‑进行dq‑αβ坐标变换，得到αβ坐标系下公共母线电压基波负序向量vαβ1‑；分别参考hθvo、‑hθvo，对vdqh+、vdqh‑进行dq‑αβ坐标变换,得到αβ坐标系下公共母线电压h次谐波分量正序向量vαβh+、公共母线电压h次谐波分量负序向量vαβh‑；将vdq1‑进行dq‑αβ坐标变换至vαβ1‑的计算公式如式(Ⅶ)所示：vαβ1-=Cdq-αβvdq1-=cos(-θvo)-sin(-θvo)sin(-θvo)cos(-θvo)vdq1----(VII);]]>将vdqh+进行dq‑αβ坐标变换至vαβh+的计算公式如式(Ⅷ)所示：vαβh+=Cdq-αβvdqh+=cos(hθvo)-sin(hθvo)sin(hθvo)cos(hθvo)vdqh+---(VIII);]]>将vdqh‑进行dq‑αβ坐标变换至vαβh‑的计算公式如式(Ⅸ)所示：vαβh-=Cdq-αβvdqh-=cos(-jθvo)-sin(-jθvo)sin(-jθvo)cos(-jθvo)vdqh----(IX);]]>式(Ⅶ)、式(Ⅷ)及式(Ⅸ)中，Cdq‑αβ为dq‑αβ坐标变换矩阵；f、计算特征次谐波正负序补偿电压向量vc,计算公式如式(Ⅹ)所示：vc=S0,iΣj=1NS0,jΣh=3,5,7,9[Gh+(HDmaxh+-HDh+)vαβh++Gh-(HDmaxh--HDh-)vαβh-]+S0,iΣj=1NS0,jG1-(HDmax1--HD1-)vαβ1----(X)]]>式(Ⅹ)中，HDmax1‑为HD1‑的最大允许值，HDmaxh+、HDmaxh‑分别为HDh+、HDh‑的最大允许值；G1‑为基波负序补偿增益，Gh+为h次谐波正序补偿增益，Gh‑为h次谐波负序补偿增益；S0,i为分布式发电单元逆变器额定容量；为孤岛微电网所有分布式发电单元逆变器额定容量之和；(12)αβ坐标系下参考电压向量vrefαβ加上特征次谐波正负序补偿电压向量vc，得到的和值再减去αβ坐标系下虚拟阻抗电压向量vvαβ，得到αβ坐标系下的电压调节参考向量v*αβ；(13)αβ坐标系下的电压调节参考向量v*αβ减去αβ坐标系下滤波电容电压向量voαβ，得到的差值通过准比例谐振控制进行电压调节，得到αβ坐标系下的电流调节参考向量i*αβ；准比例谐振控制的传递函数Gpr(s)如式(Ⅺ)所示：Gpr(s)=kp+2kifωcss2+2ωcs+ω02+Σh=3,5,7,92kihωcss2+2ωcs+(hω0)2---(XI)]]>式(Ⅺ)中，s为复频率，kp为准比例谐振控制的比例系数，kif为准比例谐振控制的基波谐振增益，kih为准比例谐振控制的h次谐波谐振增益；ωc为准比例谐振控制的截止频率，ω0为额定角频率；(14)滤波电感电流向量iLabc通过abc‑αβ坐标变换，得到αβ坐标系下滤波电感电流向量iLαβ；(15)αβ坐标系下的电流调节参考向量i*αβ减去αβ坐标系下滤波电感电流向量iLαβ，得到的差值再乘以电流增益KI并通过αβ‑abc坐标变换，得到调制信号im；计算公式如式(Ⅻ)所示：im=Cαβ-abc(iαβ*-iLαβ)KI=2310-1232-1232(iαβ*-iLαβ)KI---(XII)]]>式(Ⅻ)中，Cαβ‑abc为αβ‑abc坐标变换矩阵；(16)调制信号im通过所述驱动保护电路，驱动三相全桥逆变电路六个功率开关管的开通与关断。