一种电压控制型并网逆变器功率解耦方法技术

本发明专利技术公开了一种电压控制型并网逆变器的功率解耦方法，属于并网逆变器控制研究领域。该方法提出了一种基于前馈控制的解耦策略，根据并网逆变器的功率方程，实时计算出有功功率和无功功率的耦合量的大小，然后在有功功率和无功功率的控制回路中分别引入相角前馈和幅值前馈，该前馈量和耦合量符号相反，大小相等，以抵消功率的耦合。本发明专利技术方法解耦效果明显，应用简便，易于对现有逆变器直接升级，提高了并网逆变器的性能和稳定性，为工程应用提供了很好的参考价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于并网逆变器控制研究领域，具体涉及一种电压控制型并网逆变器输出 功率的解耦控制方法。
技术介绍
随着环境和能源危机的日益加深，新能源发电得到了越来越多的关注和应用，而 并网逆变器是新能源发电系统向电网输送电能的必不可少的接口设备，并网逆变器的性能 将会对发电系统以及电网的稳定性产生重要的影响。并网逆变器输出功率的波动会造成能 源利用效率的降低，严重者可能引起电网震荡甚至瘫痪。 按照控制方式的不同，并网逆变器可以分为电流控制型和电压控制型两种。传统 的并网逆变器大多采用电流控制模式，因为该控制模式具有结构简单、易实现最大功率点 跟踪（MPPT)算法等优点，但是电流控制型并网逆变器不能运行在孤岛模式下。近年来随着 分布式发电以及微电网等新技术的推广和应用，要求并网逆变器能够具备孤岛运行能力， 以便在大电网出项故障时能够脱离电网独立运行，保证本地重要负载的供电不受影响。在 这种背景下，具备孤岛运行能力的电压控制型并网逆变器获得了极大的应用。除此之外，电 压控制型并网逆变器还具有孤岛与并网切换平滑、可以向弱电网提供电压支撑以及不依赖 锁相环等优点，所以其应用前景非常广泛。 无论电流控制型还是电压控制型并网逆变器，都存在输出功率的耦合问题，即不 能对有功功率和无功功率完全独立控制，二者之间存在相互影响。针对电流控制型，已经有 很多学者提出了解耦方法，如电感电流前馈法、矢量PI控制器等。但是因为控制机理的差 异，这些方法无法直接应用到电压控制型并网逆变器中。另外也有学者提出了解决因线路 传输阻抗引起的功率耦合问题，如虚拟阻抗、虚拟功率等方法，这些方法可以认为是对小信 号模型的解耦但是不能解决电路固有拓扑决定的大信号耦合问题。因此当有功功率或者无 功功率其中一个的指令值发生改变时，另一个也会因为耦合而使输出功率发生波动。这个 问题没有引起足够的重视，也就缺少有效的解耦方法。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种电压控制型并网 逆变器的功率解耦方法，从而可以对逆变器输出的有功和无功功率进行独立的解耦控制。 本专利技术是通过以下技术方案来实现： -种电压控制型并网逆变器功率解耦方法，包括以下步骤： 1)采集逆变器交流测输出的电压V、电流i和电感电流L其中输出电压和输出电 流用来计算输出有功功率和无功功率，电感电流和输出电压作为控制器的反馈信号； 2)计算输出有功功率P和无功功率Q: 其中V是线电压v的有效值，I是线电流i的有效值，f是二者相位差； 3)根据下垂关系计算参考电压幅值和频率： ω*=ωQ-kp(P_Pref); E*=E〇-kq(Q-Qref)； 其中P"f和Q"f分别是并网逆变器需要向电网注入有功功率和无功功率的指令 值，该指令值来自更高一级控制器的能量调度指令，或者来自一次能源最大功率点跟踪 MPPT算法；ω。和E。分别是系统的额定频率和额定电压；kp和kq是对应的下垂系数，定义 为正；P和Q分别是逆变器检测到的输出有功功率和无功功率；〇^和E$分别是下垂控制环 节生成的频率和电压的控制指令，将频率^进行积分就可以得到逆变器输出电压的相位 Θ*； 4)根据解耦公式计算前馈量的大小，其形式如下式： 其中，U表示电网相电压峰值；Ε表示下垂控制输出的参考电压幅值；δ表示逆变 器输出电压和电网电压之间的相位差，以电网电压为参考；Αδ和ΔΕ分别表示相邻两个 控制周期内S和Ε的变化量； 5)将前馈量分别叠加到参考电压幅值和相位中，将步骤4)中计算得到的幅值前 馈量Eff和δff分别叠加到步骤3)中计算出的幅值和相位上，得到最终的逆变器参考电压， 参考电压的幅值为： Eref=E*+Eff 其中，f为步骤3)中下垂公式计算出的电压幅值，Eff为解耦公式计算出来的幅值 前馈量，Eraf是参考电压幅值； 参考电压的相位为： 0ref=Θ*+5ff 其中，0?步骤3)中下垂公式计算出的频率经过积分后得到的相位角，δff是解 耦公式计算出的相角前馈量，0raf是参考电压相位。 最后合成的参考电压可以表示为： v=Erefsin(Θref) 6)将叠加前馈量后的电压参考指令给定到逆变器内部的电压环和电流环，控制逆 变器的输出功率，步骤5)最后获得的参考电压v经过电压环和内部电感电流内环的调节 后生成PWM信号控制开关管的通断，进而控制逆变器的输出功率。 与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果： 本专利技术公开的电压控制型并网逆变器功率解耦方法旨在解决逆变器输出功率的 耦合问题。该方法根据逆变器输出的有功功率和无功功率的关系实时准确地计算出耦合量 的大小，然后分别通过一个幅值前馈量和相角前馈量对输出功率进行解耦，以实现逆变器 输出有功功率和无功功率的独立控制。本专利技术方法就是在传统的控制结构中叠加一个解耦 前馈项，应用简单，可以方便的对已有逆变器进行升级，解耦效果好，逆变器输出功率稳定、 精确，为工程应用提供了很好的参考价值。【附图说明】 图1为本专利技术所研究的并网逆变器结构框图； 图2为本专利技术并网逆变器简化结构图，其中（a)为等效电路图，（b)为相量图； 图3为叠加幅值前馈解耦项后的无功功率控制框图； 图4为叠加相角前馈解耦项后的有功功率控制框图； 图5为本专利技术所提出的解耦型并网逆变器整体控制框图； 图6为仿真波形图，其中，图（a)为有功功率指令发生变化时无功功率的波动情 况；图（b)为无功功率指令发生变化时有功功率的波动情况； 图7为实验结果波形，其中图（a)为有功功率指令从2kW增加到3kW时的情况，图 (b)为无功功率指令从Okvar增加到lkvar的情况。【具体实施方式】 下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而 不是限定。 本专利技术提供了一种旨在对电压控制型并网逆变器输出功率进行解耦的控制方法， 其原理如图4、图5和图6所示。在仿真和实验中，都将采用该方法的逆变器同采用传统的 控制方法的逆变器进行了对比，结果如图7所示。图7(a)表示的是当有功功率的指令发生 改变时的情况，可以看到采用本专利技术的控制方法可以很好的抑制无功功率的波动；图7 (b) 表示的是无功功率指令发生改变时的情况，同样可以发现本专利技术所提出的控制方法可以很 好的抑制有功功率的波动。仿真和实验都说明本专利技术可以很好的实现有功功率和无功功率 的解耦，控制效果好。 其具体实现步骤如下： 1)采集逆变器交流测输出的电压V、电流i和电感电流L其中输出电压和输出电 流用来计算输出有功功率和无功功率，电感电流和输出电压作为控制器的反馈信号； 2)计算输出有功功率P和无功功率Q: 其中V是线电压v的有效值，I是线电流i的有效值，Φ是二者相位差； 3)根据下垂关系计算参考电压幅值和频率：ω*=ω0-kp(P_Pref);Ε*=Ε〇-kq(Q-Qref)； 其中P"f和Q"f分别是并网逆变器需要向电网注入有功功率和无功功率的指令 值，该指令值来自更高一级控制器的能量调度指令，或者来自一次能源最大功率点跟踪 MPPT算法；ω。和E。分别是系统的额定频率和额定电压；kp和kq是对应的下垂系数，定义 为正；P和Q分别是逆变器检测到的输出有功功率和无功功率；〇^和E$分别是下垂控制环 节生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电压控制型并网逆变器功率解耦方法，包括以下步骤：1)采集逆变器交流测输出的电压v、电流i和电感电流iL，其中输出电压和输出电流用来计算输出有功功率和无功功率，电感电流和输出电压作为控制器的反馈信号；2)计算输出有功功率P和无功功率Q：其中V是线电压v的有效值，I是线电流i的有效值，是二者相位差；3)根据下垂关系计算参考电压幅值和频率：ω*＝ω0‑kp(P‑Pref)；E*＝E0‑kq(Q‑Qref)；其中Pref和Qref分别是并网逆变器需要向电网注入有功功率和无功功率的指令值，该指令值来自更高一级控制器的能量调度指令，或者来自一次能源最大功率点跟踪MPPT算法；ω0和E0分别是系统的额定频率和额定电压；kp和kq是对应的下垂系数，定义为正；P和Q分别是逆变器检测到的输出有功功率和无功功率；ω*和E*分别是下垂控制环节生成的频率和电压的控制指令，将频率ω*进行积分就可以得到逆变器输出电压的相位θ*；4)根据解耦公式计算前馈量的大小，其形式如下式：Eff=ΣUEsinδUcosδ-2EΔδ]]>δff=-ΣtanδEΔE]]>其中，U表示电网相电压峰值；E表示下垂控制输出的参考电压幅值；δ表示逆变器输出电压和电网电压之间的相位差，以电网电压为参考；Δδ和ΔE分别表示相邻两个控制周期内δ和E的变化量；5)将前馈量分别叠加到参考电压幅值和相位中，将步骤4)中计算得到的幅值前馈量Eff和δff分别叠加到步骤3)中计算出的幅值和相位上，得到最终的逆变器参考电压，参考电压的幅值为：Eref＝E*+Eff其中，E*为步骤3)中下垂公式计算出的电压幅值，Eff为解耦公式计算出来的幅值前馈量，Eref是参考电压幅值；参考电压的相位为：θref＝θ*+δff其中，θ*为步骤3)中下垂公式计算出的频率经过积分后得到的相位角，δff是解耦公式计算出的相角前馈量，θref是参考电压相位；最后合成的参考电压可以表示为：v＝Erefsin(θref)6)将叠加前馈量后的电压参考指令给定到逆变器内部的电压环和电流环，控制逆变器的输出功率，步骤5)最后获得的参考电压v经过电压环和内部电感电流内环的调节后生成PWM信号控制开关管的通断，进而控制逆变器的输出功率。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘进军，刘宝谨，刘增，武腾，王施珂，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61