[发明专利]一种基于虚拟阻抗的微网逆变器电压电流双环下垂控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微网逆变器的控制方法，尤其涉及一种基于虚拟阻抗的微网逆变器电压电流双环下垂控制方法。

背景技术

近年来，基于可再生能源的微电网技术由于其高效、经济、位置灵活和分散的特点成为国家节能减排，可持续发展战略规划的重要组成部分。微电网既可以与配电网连接工作于并网模式，也可以单独为本地负载供电，即运行于孤岛模式。当微电网孤岛运行时，逆变器的控制性能将直接影响到负载的供电质量。其常见的控制方法一般可分为两类。

第一类是有互联线方法，包括集中控制、主从控制、平均负载分配法等。这些方法可以达到很好的均流效果，并减小输出电压总谐波畸变率。然而互联线的存在会限制系统的灵活性和冗余性，而且会降低微电网系统的可靠性。

第二类是无互联线方法，此类方法只依赖于各模块自身的控制量，具有冗余性和灵活性等特点。无互联线方法一般分为谐波注入法和下垂法。谐波注入法实际上是以电力线作为信号线，利用谐波合成和检测方法达到有通信线的并联效果。理论上可消除由连线阻抗大小不等引起的均流误差，但由于谐波分量的引入，使输出电压畸变增大且控制较为复杂。下垂法采用交流电机中的控制思想，利用有功功率和电压的频率、无功功率和电压幅值之间的对应关系来调节逆变器输出电压参考值。然而，传统下垂法有效控制的前提是线路阻抗呈感性。在微电网中，线路阻抗可能是呈阻性或阻感性，此时传统下垂法无法实现有效的控制。为了解决此问题，各国学者对传统下垂法进行了改进。比如，德国学者A.Engler和N.Soultanis在IEEE International Conference on Future Power Systems上发表论文《Droop control in LV-grids》，文中在线路阻感比(R/X)很高的情况下，采用反下垂特性控制逆变器输出电压的幅值和频率，但这种方法无法适用于阻感性连线阻抗的系统。当线路阻抗中的阻性成分和感性成分均不可忽略时，比利时学者Karel De Brabandere在IEEE Transactions on Power Electronics上发表论文《A voltage and frequency droop control method for parallel inverters》，文中采用有功功率和无功功率解耦的方法可以精确控制系统的输出功率，但是这种方法需要精确的获得线路中阻感比的数值。为了减小线路阻感比对下垂控制器的影响，提高因逆变器个体差异而引起的系统内阻抗不同时下垂控制器的功率分配效果，同时又避免外加均流电感引起的负面问题，西班牙学者Guerrero在IEEE Transactions on Industrial Electronics上发表的论文《Output impedance design of parallel-connected UPS inverters with wireless load-sharing control》中提出了“虚拟阻抗法”，即在逆变器的闭环控制外加入输出阻抗调节模块，通过虚拟阻抗来抑制阻抗差异对功率分配的影响。但是加入的感性虚拟阻抗对高次谐波会表现为较高的阻抗，当系统带谐波含量较大的负载时，会因为虚拟电感的作用而使得输出电压畸变严重。另外，此类下垂控制一般为“功率-电压-电流”三环结构，系统的稳定性和动态性能在很大程度上由功率环参数决定，设计不当容易引起系统的不稳定，尤其是线路阻抗较小的情况下，系统稳定性会进一步恶化。

发明内容

本发明的目的是克服传统功率下垂控制方式在线路阻抗小的情况下无法使并联逆变器系统稳定工作的缺点，旨在提供一种能够在线路短、阻抗小的微电网中仍然维持系统稳定并达到良好负载功率均分效果的并联逆变器控制方法。

微电网是指以太阳能、风能、燃料电池等新能源作为能量来源，通过电力电子装置和储能设备实现功率变换和灵活控制的新型电网。既可以在电网正常的情况下，与配电网连接并网运行(并网模式)；亦可以在电网出现故障时，及时与电网断开，单独为本地网络负载供电(孤岛模式)，以维持本地网络电压幅值频率稳定，保证负载可靠供电。本发明涉及的孤岛运行下微电网中两台并联运行的逆变器系统结构可简化为两台逆变器通过各自的连线阻抗连接到公共负载上。为此本发明提出一种基于虚拟阻抗的电压电流双环下垂控制方法，类比传统三环功率下垂控制方法，可将虚拟连线阻抗Z_vir(s)等效为下垂系数，将逆变器输出电流通过虚拟连线阻抗反馈到逆变器输出电压参考上，使两台逆变器在线路短、阻抗小的微电网中，自动均分负载功率。

根据上面的发明构思，本发明控制方法的步骤如下：