微网中并联变流器系统效率优化方法及变流器投切方法技术方案

本发明专利技术公开了一种微网中并联变流器系统效率优化方法及变流器投切方法，属于微网中并联变流器协调控制研究领域。该策略基于单台变流器的损耗二次函数模型，通过前推回代方法计算出稳态下N台并联变流器的最优输出功率配比，实现总体损耗的最小化，提升系统效率。进一步，随着负载功率的变化，通过精确计算损耗曲线的交点位置优化变流器的投切点，以保证系统在全负载范围内都保持最小损耗运行。本发明专利技术策略根据变流器的损耗参数离线计算并设计并联变流器系统的稳态工作点，降低了变流器运行损耗，实现整体效率的最优，对提高能源利用率、降低发电成本起到关键作用，为工程应用提供了很好的参考价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微网中并联变流器协调控制研究领域，具体涉及一种微网中并联变流器系统效率优化方法及其变流器投切方法。
技术介绍
随着环境污染和能源危机的日益加剧，微网、新能源和分布式发电相关技术成为研究热点。微网作为整合分布式电源和负载互联的能源系统，各类分布式发电单元例如太阳能光伏电池板、风力发电机等，必须通过电力电子变流器作为接口连接至公共母线。并联变流器提高了发电系统的功率等级，具有可靠性高，扩展性强等优点，在微网和分布式发电中有着广泛应用。转换效率作为变流器的重要指标之一，对提高能源利用率，降低成本起到关键作用。随着微网和可再生能源发电的快速发展，并联变流器系统运行效率的提升将会带来可观的长期经济效益。目前，例如采用新型半导体SiC和GaN开关器件，改进变流器拓扑结构，变换调制策略等方法，能有效地减小损耗，在提升变流器效率方面取得了一定成效。然而，上述方法都局限于单台变流器电能转换效率的提升。在并联系统中，负载侧的功率需求会在多台变流器之间分配。对于系统中每一台变流器而言，自身的损耗和转换效率会随着它实际输出功率的变化而变化。因此，并联系统的总损耗和运行效率与稳态时各台变流器的输出功率分配直接相关。可以设法寻求使得系统总损耗最小，整体效率最高的输出功率分配方式，为并联变流器系统稳态工作点的优化提供了空间。目前，并联变流器协调控制领域的大部分研究成果都致力于解决并联变流器系统电压和频率控制以及稳定性等问题。从提升系统运行效率角度出发，设计并联变流器稳态工作点的优化运行策略相关工作非常少见。
技术实现思路
为了弥补现有技术存在的空白，本专利技术提出了一种微网中并联变流器系统效率优化方法及其变流器投切方法，将总损耗最小化，能够实现系统在全负载范围内始终保持最高效率运行。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种微网中并联变流器系统效率优化方法，假定并联变流器系统由N台变流器并联而成，则其效率优化方法包括以下步骤：(1)计算每台变流器的损耗参数(2)将第一台变流器和第二台变流器等效为等效变流器12，计算该等效变流器12的损耗参数(3)将等效变流器12与第三台变流器等效为等效变流器123，计算该等效变流器123的损耗参数(4)重复步骤(3)，将上一步得到的等效变流器12…m与第m+1台变流器合并等效为等效变流器12…(m+1)，计算等效变流器12…(m+1)的损耗参数直至求出全部N-2组等效变流器的损耗参数，其中，m＝3,4,…,N-2；(5)根据稳态下的负载功率PLoad、等效变流器(123···(N-1))的损耗参数以及第N台变流器的损耗参数计算第N台变流器应当承担负载功率的最优分配比kop_N、第N台变流器的输出功率设定值Pout_N，以及等效变流器(123···(N-1))的输出功率Pout_(123…N-1)；(6)以等效变流器(123···N-1)的输出功率Pout_(123…N-1)作为稳态下的负载功率，根据等效变流器(123…N-2)的损耗参数和第N-1台变流器的损耗参数计算第N-1台变流器的最优功率分配比及其输出功率设定值以及等效变流器(123···N-2)的输出功率；(7)重复步骤(6)，根据前一步获得的等效变流器12···n的输出功率和等效变流器12···(n-1)的损耗参数以及第n台变流器的损耗参数计算第n台变流器的最优功率分配比及其输出功率设定值以及等效变流器12···(n-1)的输出功率，直至求得第一台变流器和第二台变流器的输出功率设定值，其中，n＝N-2,…,3。进一步，单台变流器的损耗参数的计算方法为：(1.1)获取单台变流器的转换效率-输出功率曲线；(1.2)单台变流器的二次损耗函数表达式：其中，一次项c1·Pout表示开关损耗，二次项表示欧姆损耗，常数项c0表示由驱动电路等产生的固定损耗；(1.3)根据二次损耗函数计算转换效率；(1.4)将步骤(1.1)中变流器的转换效率-输出功率曲线所对应的数据点，代入转换效率关于输出功率的函数中进行数据拟合，求出损耗参数c0,c1,c2。进一步，等效变流器12…(m+1)的损耗参数根据以下公式计算：进一步，步骤(5)中所述的第N台变流器应当承担负载功率的最优分配比kop_N、第N台变流器的输出功率设定值Pout_N，以及等效变流器(123···(N-1))的输出功率Pout_(123…N-1)根据以下公式计算：Pout_N＝kop_N·PLoad。Pout_(123…N-1)＝(1-kop_N)·PLoad一种微网中并联变流器投切方法，该并联变流器采用上述的优化方法，且该并联变流器中所有变流器的损耗参数相同，所述投切方法为：首先根据每一个变流器的损耗参数计算每一个变流器的启动功率Pstart_n，当前时刻的负载功率PLoad大于第一台变流器的启动功率但小于第二台变流器的启动功率时，开启第一台变流器，当前时刻的负载功率PLoad大于第二台变流器的启动功率但小于第三台变流器的启动功率时，开启第二台变流器，与第一台便利器均分负载功率，以此类推，随着负载功率的增长，每超出某一Pstart_n的值，就将第n台变流器投入运行，n＝1,2，…，N；当负载功率降低时，每低于某一Pstart_n的值，就将第n台变流器关断切除。进一步，第n台变流器的启动功率Pstart_n的计算方法为：首先对比n-1台和n台等效变流器的损耗曲线，将变流器的投切点由变流器额定容量的整数倍移动到等效变流器损耗曲线的交叉点，保证整个负载范围内始终运行在最小损耗的包络线上；损耗参数相同的n-1台和n台等效变流器对应的损耗方程为：所述交叉点的损耗功率满足Ploss_n-1＝Ploss_n (3)联立公式(1)至(3)即可求出交叉点的负载功率。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术公开的微网中并联变流器系统效率优化运行策略旨在提升并联变流器系统整体运行效率。该策略基于单台变流器的损耗二次函数模型，通过前推回代方法计算出稳态下N台并联变流器的最优输出功率配比，实现总体损耗的最小化，提升系统效率。进一步，随着负载功率的变化，通过精确计算损耗曲线的交点位置优化变流器的投切点，以保证系统在全负载范围内都保持最小损耗运行。本专利技术策略根据变流器的损耗参数离线计算并设计并联变流器系统的稳态工作点，降低了变流器运行损耗，实现整体效率的最优，对提高能源利用率、降低发电成本起到关键作用，为工程应用提供了很好的参考价值。【附图说明】图1为两种典型变流器工业产品的转换效率η—输出功率Pout曲线和测试数据点，以及二次损耗曲线的拟合结果,其中(a)为EMERSON公司3.5kW DC/DC变流器，(b)为ABB公司50kW光伏逆变器；图2为本专利技术所研究的N台并联变流器系统输出功率与损耗示意图；图3为N台变流器并联系统的前推回代计算方法示意图；图4为传统逐次启停法与本专利技术所提出的优化策略下并联变流器系统的运行损耗曲线对比，其中(a)为EMERSON公司3.5kW DC/DC变流器，(b)为ABB公司50kW光伏逆变器；图5为以10台变流器并联系统作为算例，按照优化策略与传统逐次启停法在全负载范围内运行的整体效率曲线，其中(a)为EMERSON公司3.5kW DC/DC变流器，(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微网中并联变流器系统效率优化方法，其特征在于：假定并联变流器系统由N台变流器并联而成，则其效率优化方法包括以下步骤：(1)计算每台变流器的损耗参数i＝1,…,N；(2)将第一台变流器和第二台变流器等效为等效变流器12，计算该等效变流器12的损耗参数(3)将等效变流器12与第三台变流器等效为等效变流器123，计算该等效变流器123的损耗参数(4)重复步骤(3)，将上一步得到的等效变流器12…m与第m+1台变流器合并等效为等效变流器12…(m+1)，计算等效变流器12…(m+1)的损耗参数直至求出全部N‑2组等效变流器的损耗参数，其中，m＝3,4,…,N‑2；(5)根据稳态下的负载功率PLoad、等效变流器(123···(N‑1))的损耗参数以及第N台变流器的损耗参数计算第N台变流器应当承担负载功率的最优分配比kop_N、第N台变流器的输出功率设定值Pout_N，以及等效变流器(123···(N‑1))的输出功率Pout_(123…N‑1)；(6)以等效变流器(123···N‑1)的输出功率Pout_(123…N‑1)作为稳态下的负载功率，根据等效变流器(123…N‑2)的损耗参数和第N‑1台变流器的损耗参数计算第N‑1台变流器的最优功率分配比及其输出功率设定值以及等效变流器(123···N‑2)的输出功率；(7)重复步骤(6)，根据前一步获得的等效变流器12···n的输出功率和等效变流器12···(n‑1)的损耗参数以及第n台变流器的损耗参数计算第n台变流器的最优功率分配比及其输出功率设定值以及等效变流器12···(n‑1)的输出功率，直至求得第一台变流器和第二台变流器的输出功率设定值，其中，n＝N‑2,…,3。...

【技术特征摘要】
1.一种微网中并联变流器系统效率优化方法，其特征在于：假定并联变流器系统由N台变流器并联而成，则其效率优化方法包括以下步骤：(1)计算每台变流器的损耗参数i＝1,…,N；(2)将第一台变流器和第二台变流器等效为等效变流器12，计算该等效变流器12的损耗参数(3)将等效变流器12与第三台变流器等效为等效变流器123，计算该等效变流器123的损耗参数(4)重复步骤(3)，将上一步得到的等效变流器12…m与第m+1台变流器合并等效为等效变流器12…(m+1)，计算等效变流器12…(m+1)的损耗参数直至求出全部N-2组等效变流器的损耗参数，其中，m＝3,4,…,N-2；(5)根据稳态下的负载功率PLoad、等效变流器(123···(N-1))的损耗参数以及第N台变流器的损耗参数计算第N台变流器应当承担负载功率的最优分配比kop_N、第N台变流器的输出功率设定值Pout_N，以及等效变流器(123···(N-1))的输出功率Pout_(123…N-1)；(6)以等效变流器(123···N-1)的输出功率Pout_(123…N-1)作为稳态下的负载功率，根据等效变流器(123…N-2)的损耗参数和第N-1台变流器的损耗参数计算第N-1台变流器的最优功率分配比及其输出功率设定值以及等效变流器(123···N-2)的输出功率；(7)重复步骤(6)，根据前一步获得的等效变流器12···n的输出功率和等效变流器12···(n-1)的损耗参数以及第n台变流器的损耗参数计算第n台变流器的最优功率分配比及其输出功率设定值以及等效变流器12···(n-1)的输出功率，直至求得第一台变流器和第二台变流器的输出功率设定值，其中，n＝N-2,…,3。2.根据权利要求1所述的一种微网中并联变流器系统效率优化方法，其特征在于：单台变流器的损耗参数的计算方法为：(1.1)获取单台变流器的转换效率-输出功率曲线；(1.2)单台变流器的二次损耗函数表达式： P l o s s = f ( P o u t ) = c 0 + c 1 · P o u t + c 2 · P o u t 2 P o u t > 0 0 P o u t = 0 ; ]]>其中，一次项c1·Pout表示开关损耗，二次项表示欧姆损耗，常数项c0表示由驱动电路等产生的固定损耗；(1.3)根据二次损耗函数计算转换效率；(1.4)将步骤(1.1)中变流器的转换效率-输出功率曲线所对应的数据点，代入转换效率关于输出功率的函数中进行数据拟合，求出损耗参数c0,c1,c2。3.根据权利要求1所述的一种微网中并联变流器系统效率优化方法，其特征在于：等效变流器12…(m+1)的损耗参数根据以下公式计算： c 0 _ ( 12 ... m + 1 ) = c 0 _ ( 12 ... m ) + c 0 _ m + 1 - ( c 1 _ ( 12 ... m ) - c 1 _ m + 1 ) 2 4 ( c 2 _ ( 12 ... m ) + c 2 _ m + 1 ) ]]> c 1 _ ( 12 ... m + 1 ) = c 1 _ ( 12 ... m ) · c 2 _ m + 1 + c 2 _ ( 12 ... m ) · c 1 _ m + 1 c ...

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