本發(fā)明涉及多并聯(lián)逆變器，特別是一種孤立微網(wǎng)單相單相多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)及其分布式控制方法。

背景技術：

微電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)的關鍵技術之一，可有效解決分布式電源因位置分散、形式多樣、特點各異而對主網(wǎng)和用戶造成的沖擊，實現(xiàn)對分布式電源的有效整合和高效利用，近年來受到了廣泛關注。在微網(wǎng)運行于孤島模式下，需要多臺逆變器并聯(lián)運行，共同作為組網(wǎng)元件為獨立微電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐。

但在多臺逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中，由于每臺逆變器的等效輸出阻抗和到負荷連接點的線路阻抗都存在差異，影響了其功率分配的精度。尤其是在負荷突變和從網(wǎng)元件如光伏、風機發(fā)電波動的情況下，不僅要維持負荷連接點的電壓、頻率穩(wěn)定，還要保證有功、無功功率的精確分配。因此，制定有效的協(xié)調控制策略，是確保多逆變器并聯(lián)的微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，實現(xiàn)功率均分、減少能量損失的關鍵。

目前，多逆變器并聯(lián)運行控制策略主要分為主從控制和對等控制兩種方法。主從控制要求組網(wǎng)單元必須擁有足夠的容量裕度，這極大限制了微電網(wǎng)的規(guī)模和系統(tǒng)擴容，并且在控制上需要互聯(lián)線，降低了系統(tǒng)的可靠性。有互連線的對等控制策略對通訊的實時性要求較高，在面臨信號干擾和衰減嚴重等問題時，控制性能難以保障。

目前最為流行的是無互連線的對等控制，主要指功率下垂控制，通過借鑒同步發(fā)電機的自同步和電壓下垂特性，實現(xiàn)微源間無互聯(lián)線的功率分配。近年來，各種基于傳統(tǒng)下垂控制的改進方法被相繼提出。但是，現(xiàn)有的電壓控制環(huán)中大多采用比例積分(PI)控制器，限制了系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，而加入虛擬阻抗和附加反饋環(huán)會造成系統(tǒng)控制結構的復雜和參數(shù)整定困難，影響控制效果。

因此，需要提出一種新型的分布式控制策略，對微電網(wǎng)中并聯(lián)逆變器系統(tǒng)進行無通信或極少通信協(xié)同控制(無并聯(lián)逆變器投切，不需要通信，而當有并聯(lián)逆變器投切時只需更新系統(tǒng)內并聯(lián)逆變器的總臺數(shù))。在系統(tǒng)獨立運行時，該策略可以有效地抑制各逆變器輸出電流間的誤差，并在光伏發(fā)電功率波動或負載發(fā)生變化時，快速維持電壓、頻率穩(wěn)定，同時實現(xiàn)功率的精確分配，以確保光-儲微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運行。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供孤立微網(wǎng)單相多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)及其分布式控制方法。該方法能夠在無或極少通信線的條件下基于本地信息進行控制，并且易于實現(xiàn)，在確保孤立微網(wǎng)交流母線電壓穩(wěn)定的情況下，能夠精確分配負荷功率，抑制電流分配誤差。并且動態(tài)響應迅速，在發(fā)電側發(fā)生波動或負荷發(fā)生改變時，快速維持電壓、頻率穩(wěn)定，保證了微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運行。

為達到上述目的，本發(fā)明的技術解決方案如下：

一種孤立微網(wǎng)單相多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)，其特點在于，該系統(tǒng)包括n臺并聯(lián)的單相逆變器、單相負載和交流母線，其中n為大于2的正整數(shù)，每一臺并聯(lián)的單相逆變器包括主電路和控制電路，所述的主電路包括分布式直流電源、單相逆變電路、濾波電路等效電阻、濾波電感、濾波電容，所述的分布式直流電源為直流電壓源；所述的單相逆變電路的輸入端與所述的分布式直流電源相連；所述的分布式直流電源輸出的直流電經(jīng)單相逆變電路后得到單相交流電，經(jīng)所述的濾波電路的等效電阻、濾波電感和濾波電容后連接至所述的交流母線的火線和零線；

所述的控制電路包括觀測器、分布式控制器、第一比例放大器、第二比例放大器、第三比例放大器、第四比例放大器、第五比例放大器和正弦脈寬調制模塊，所述的第一比例放大器、第二比例放大器、第三比例放大器、第四比例放大器和第五比例放大器的比例放大系數(shù)分別為：q、1/C、L_kC_k、R_k、1/V_dck。

所述的孤立微網(wǎng)單相多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的分布控制方法，該控制方法是每一臺并聯(lián)的單相逆變器進行自我控制，第k臺單相并聯(lián)儲能逆變器逆變器都按如下步驟進行控制，其中k為1、2、3、…、或n：

1)第k臺單相逆變器的控制電路經(jīng)第一輸入端采集交流母線電壓v_o，與給定的參考電壓值v_ref做差，得到跟蹤誤差信號e_v＝v_o-v_ref；

2)按下列公式計算濾波跟蹤誤差信號并輸入所述的分布式控制器的第一輸入端：

$\hat{E}={\mathrm{qe}}_v+{\mathrm{dv}}_{ref}+{\widehat{\stackrel{\·}{v}}}_o$

其中，qe_v是所述的跟蹤誤差信號e_v經(jīng)放大比例系數(shù)為k的第一比例放大器放大后的值，dv_ref為參考電壓的微分值，所述的交流母線電壓v_o經(jīng)觀測器得到的精確的微分估計值k_o為觀測器的增益；

3)所述的控制電路經(jīng)第二輸入端采集第k臺逆變器的電感電流i_k，經(jīng)放大比例系數(shù)為1/C的第二比例放大器的放大后為i_k/C，輸入所述的分布式控制器的第二輸入端；所述的C由算式計算，所述C_k為第k臺單相逆變器的濾波電容的估計值；

4)所述的分布式控制器按下列公式計算并輸出第三控制變量u_k：

$u_k\left(t\right)=-q\frac{i_k\left(t\right)}{C}-\frac{1}{n}\[\left(\mathrm{\α}+k_s\right)\hat{E}\left(t\right)-q{\stackrel{\·}{v}}_{ref}\left(t\right)-{\stackrel{\·\·}{v}}_{ref}\left(t\right)\]-\frac{1}{n}{\∫}_0^t\left({\mathrm{\αk}}_s+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\right)\hat{E}\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}$

其中，n為并聯(lián)逆變器的總數(shù)，α、k_s、ρ均為用戶自定義大于零的參數(shù)，為所述的參考電壓一階導數(shù)，dv_ref為參考電壓的一階微分；為參考電壓二階導數(shù)，表示為：

第三控制變量u_k經(jīng)放大比例系數(shù)為L_kC_k的第三比例放大器放大后得第四控制變量L_kC_k u_k，L_kC_k為第k臺單相逆變器的濾波電感L_k和濾波電容C_k的估計值的積；

所述的電感電流i_k經(jīng)放大比例系數(shù)為R_k的第四比例放大器的放大值為R_k i_k，R_k為第k臺單相逆變器的濾波等效電阻的估計值；

按下列公式計算調制波信號v_ck：

v_ck＝L_kC_ku_k+R_ki_k+v₀；

5)所述的調制波信號v_ck經(jīng)依次的放大比例系數(shù)為1/V_dck的第五比例放大器和正弦脈寬調制模塊得到的4路控制脈沖波S₁、S₂、S₃、S₄，輸入第k臺單相逆變器的單相逆變電路進行控制。

所述的觀測器內部算式如下：

${\widehat{\stackrel{\·}{v}}}_o=k_o(v_o-{\hat{v}}_o)$

其中，和分別為和v_o的估計值，k_o為觀測器的增益，根據(jù)獲得實時更新，定義觀測器的輸出誤差為：

$e_1=v_o-{\hat{v}}_o;e_2={\stackrel{\·}{v}}_o-{\widehat{\stackrel{\·}{v}}}_o$

通過設置足夠大的觀測器的增益k_o，可使觀測器輸出誤差調節(jié)到系統(tǒng)允許的范圍內；

本發(fā)明的有益效果在于：

針對獨立運行模式下的含有多逆變器并聯(lián)的微電網(wǎng)系統(tǒng)，本發(fā)明的控制方法可在無通信或極少通信的情況下，保證多并聯(lián)逆變器系統(tǒng)作為組網(wǎng)單元，提供穩(wěn)定的系統(tǒng)電壓和頻率，且對逆變器主電路參數(shù)差異引起的電流分配誤差具有很好的抑制作用。在從網(wǎng)元件如光伏、風機發(fā)電波動或負荷發(fā)生突變時，能夠在保證微電網(wǎng)系統(tǒng)在孤島模式下穩(wěn)定運行的同時，快速、有效地實現(xiàn)功率的精確均分，為進一步提升供電的可靠性提供保障。

附圖說明

圖1是本發(fā)明孤立微網(wǎng)單相多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的主電路和控制電路原理示意圖。

圖2是本發(fā)明所述微電網(wǎng)一次系統(tǒng)示意圖。

圖3是本發(fā)明負載突變下的仿真結果圖，包括：

圖3(a)是本發(fā)明并聯(lián)逆變器系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)和負載有功功率波形；

圖3(b)是本發(fā)明3臺逆變器發(fā)出有功功率波形；

圖3(c)是本發(fā)明并聯(lián)逆變器系統(tǒng)輸出電壓電流波形；

圖3(d)是本發(fā)明并聯(lián)逆變器輸出電流分配誤差圖。

圖4是本發(fā)明光伏發(fā)電波動下的仿真結果圖，包括：

圖4(a)是本發(fā)明并聯(lián)逆變器系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)和負載有功功率波形；

圖4(b)是本發(fā)明3臺逆變器各自輸出電流波形；

圖4(c)是本發(fā)明并聯(lián)逆變器輸出電流分配誤差圖。

具體實施方式

結合實施例和附圖進一步說明本發(fā)明的技術方案，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。如本實施案例以儲能逆變器作為本發(fā)明控制策略的具體實施對象，但不應以此限制本發(fā)明的應用范圍。

如圖1是本發(fā)明多并聯(lián)逆變器分布式控制系統(tǒng)原理圖，包括單臺逆變器主電路1、控制電路2、其余n-1臺并聯(lián)逆變器及其控制電路3以及單相負載9和交流母線10五部分。

單臺逆變器的主電路1包括分布式直流電源4、單相H橋型逆變橋電路5、濾波電路等效電阻6、濾波電感7、濾波電容8。

控制電路2包括觀測器11、分布式控制器12、不同系數(shù)的比例放大器13～16、比例放大器17、正弦脈寬調制模塊18。

所述單臺逆變器1與其余n-1臺逆變器以及單相負載9之間互為并聯(lián)關系，共同連接至交流母線10的正、負線；所述分布式直流電源4作為直流電壓源；所述單相H型逆變橋電路5的輸入端與分布式直流電源4相連；分布式直流電源4輸出的直流電經(jīng)單相逆變電路5后得到單相交流電，經(jīng)所述的濾波電路的等效電阻6、濾波電感7后連接至交流母線10，所述的濾波電容8并聯(lián)的網(wǎng)絡后與交流母線10相連。

所述控制電路2接受采集交流母線10的電壓v_o以及濾波電感7上的電流值i₁，本發(fā)明孤立微電網(wǎng)多并聯(lián)逆變器的控制方法，包括下列步驟：

所述的交流母線電壓v_o與設定的參考電壓值v_ref做差，其中參考電壓值v_ref＝Vsin(ωt)，V表示參考電壓的幅值，ω表示參考電壓的角頻率，初始相位設為0，得到電壓跟蹤誤差e_v，經(jīng)放大系數(shù)為k的比例放大器13，得到第一控制變量ke_v，交流母線電壓v_o通過觀測器11得到精確的微分估計值

${\widehat{\stackrel{\·}{v}}}_o=k_o(v_o-{\hat{v}}_o)$

其中，和分別為和v_o的估計值，k_o為觀測器的增益，根據(jù)獲得實時更新。定義觀測器的輸出誤差為：

$e_1=v_o-{\hat{v}}_o;e_2={\stackrel{\·}{v}}_o-{\widehat{\stackrel{\·}{v}}}_o$

通過設置足夠大的觀測器的增益k_o，可使觀測器輸出誤差調節(jié)到系統(tǒng)允許范圍內。

參考電壓的一階微分表示為dv_ref＝Vωcos(ωt)，與上述交流母線電壓微分估計值以及控制變量ke_v相加，得到跟蹤誤差變量

所述電感電流i₁經(jīng)第二放大比例放大器14的放大(比例系數(shù)為1/C)后，得到第二控制變量i₁/C，與共同作為分布式控制器12的輸入，經(jīng)分布式控制器12輸出第三控制變量u₁：

$u_1\left(t\right)=-q\frac{i_1\left(t\right)}{C}-\frac{1}{n}\[\left(\mathrm{\α}+k_s\right)\hat{E}\left(t\right)-q{\stackrel{\·}{v}}_{ref}\left(t\right)-{\stackrel{\·\·}{v}}_{ref}\left(t\right)\]-\frac{1}{n}{\∫}_0^t\left({\mathrm{\αk}}_s+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\right)\hat{E}\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}$

其中，n為并聯(lián)逆變器總數(shù)，α、k_s、ρ均為用戶自定義大于零的參數(shù)，為設定的參考電壓一階導數(shù)，dv_ref參考電壓的一階微分；為設定的參考電壓二階導數(shù)，表示為：

第三控制變量u₁經(jīng)第三比例放大器15(放大系數(shù)為L₁C₁)，得到第四控制變量L₁C₁u₁；所述的電感電流i₁經(jīng)放大系數(shù)為R₁的第四比例放大器16，得到第五控制變量R₁i₁；所述交流母線電壓v_o與第四控制變量L₁C₁u₁，第五控制變量R₁i₁相加，得到調制波信號v_c1，該調制波信號v_c1經(jīng)第五比例放大器17后，輸入正弦波矢量調制模塊18，得到四路脈沖信波S₁、S₂、S₃、S₄，輸入并控制所述的單相H橋型逆變電路5。

其余并聯(lián)逆變器3均采用相同的控制算法，基于本地信息即可實現(xiàn)分布式協(xié)同控制。

現(xiàn)利用Matlab/Simulink搭建了3臺儲能逆變器和1臺光伏逆變器并聯(lián)系統(tǒng)仿真模型，并模擬負荷突變和光伏發(fā)電波動兩種實際工況，對所提控制算法進行檢驗。如圖2所示。

圖2中19～21為三臺并聯(lián)儲能逆變系統(tǒng)，22為兩級式光伏逆變系統(tǒng)，23為交流電網(wǎng)，24為并網(wǎng)開關，25為單相負載。

工況1：系統(tǒng)初始時刻與電網(wǎng)相連并空載運行，在0.1s時刻系統(tǒng)脫離電網(wǎng)轉為獨立運行模式，但仍為空載運行狀態(tài)，在0.2s時刻并入3kW負載，0.4s時增加1.5kW負載。光伏系統(tǒng)輸出功率不變，穩(wěn)定在1kW左右，3臺單相逆變器同時運行。仿真結果如圖3所示。P_PV代表光伏輸出功率；P_load代表負載功率；P_S1、P_S2、P_S3分別代表3臺單相逆變器的輸出功率。

從圖3(a)可以看出，0.1s至0.2s，光伏系統(tǒng)輸出功率大于負載功率，儲能系統(tǒng)充電，0.2s之后，負載功率大于光伏系統(tǒng)輸出功率，儲能系統(tǒng)放電，0.4s時負載突變，儲能系統(tǒng)的輸出功率也相應增大。整個過程中，3臺儲能系統(tǒng)可以快速、準確地配合光伏發(fā)電系統(tǒng)對負荷供電，隨著負荷功率的增加，逆變器有功輸出平穩(wěn)。從圖3(b)可以看出，儲能系統(tǒng)的輸出功率做到了精確分配。圖3(c)為三臺單相逆變器各自的輸出電流和負荷連接點處電壓波形，通過局部放大圖可以看出，在0.2s時電流方向發(fā)生改變，儲能系統(tǒng)由放電狀態(tài)改為充電狀態(tài)；在0.4s時，由于功率缺額的增大，電流幅值也變大，整個過程電流變化平穩(wěn)、無抖動，系統(tǒng)動態(tài)效果良好；且輸出電壓穩(wěn)定，保證了整個光-儲微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運行。圖3(d)展現(xiàn)了三臺單相逆變器兩兩電流差值，可以看到電流分配誤差始終處于0.4A以內，抑制效果顯著。

工況2：系統(tǒng)在0.1s之前并網(wǎng)運行，在0.1s時刻脫離電網(wǎng)獨立運行，負載始終為3kW。模擬光照強度發(fā)生改變引起光伏系統(tǒng)的輸出功率產(chǎn)生波動，0.1s至0.2s光伏輸出功率為1kW；0.2s至0.3s上升至1.5kW；0.3s至0.4s輸出功率繼續(xù)上升到2kW，0.4s至0.5s輸出功率下降到1.2kW。

系統(tǒng)的有功功率波形如圖4(a)所示?？梢钥闯觯谪撦d不變時，儲能系統(tǒng)輸出功率隨光伏輸出功率的改變而變化，始終保持了穩(wěn)定供電水平。圖4(b)說明并聯(lián)逆變器輸出電流分配效果良好，動態(tài)響應迅速。圖4(c)所示的電流分配誤差波形(0.4A以內)進一步說明了該控制策略在均流方面的有效性。

由此可見，光-儲微電網(wǎng)在獨立運行模式下，采用所提控制策略設計的多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)具有良好的功率分配精度和瞬時均流能力，系統(tǒng)的動態(tài)響應迅速，且并聯(lián)儲能系統(tǒng)作為組網(wǎng)單元，時刻滿足電壓、頻率穩(wěn)定的要求。