[发明专利]一种并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡控制方法

说明书

技术领域

本发明属于分布式电源并网、电力电子控制技术和微电网技术领域，具体涉及一种并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡控制方法。

背景技术

新能源发电既具有环境污染小和转换效率高等特点，是未来电力系统的有利补充，为了提高新能源在供电系统的渗透率，需要将新能源的发电功率注入到大电网中，传输至负荷区域。而一般的光伏发电或者储能单元输出电压等级较低，需要采用串联的结构，进行合理的电压提升，进而提高整体的功率输出等级。为了实现对独立光伏单元、储能单元等低压直流电源的灵活控制，一般采用微逆变器的形式直接连接单个直流源，并通过多微逆变器输出级联进行组串式并网。在多逆变器模块串联系统中，为了避免单个模块过压过载导致器件烧毁，降低供电可靠性，需要开发多逆变器模块间的功率平衡技术，同时，为了实现分布式电源对大电网的电压和频率支撑，独立逆变器模块需要控制为电压源模式，保持与大电网频率同步。

在传统的并联逆变器功率均分控制中，主要存在集中式控制、主从式控制、分层式控制、分布式控制、分散式控制等几大类，其中尤以分散式控制不需要任何通信一直受到研究者和工程师们的青睐，相对于集中式控制、主从式控制、分层式控制和分布式控制等基于通信范畴的控制策略，分散式控制策略具有自同步能力、即插即用能力和电压频率支撑能力。

相对于并联逆变器的研究，串联逆变器是一个相对新颖的对象，绝大多数的论文研究和公开专利也局限于利用集中式控制实现功率均衡和多电平技术，利用高带宽通信系统实现光伏串联并网、蓄电池荷电状态均衡等。尽管集中式控制具有良好的电压调节和功率均衡性能，但是需要额外的通信设备，会由于通信故障、延时和丢包降低控制系统的可靠性。另外，集中式控制不具备即插即用特性，不能灵活地进行系统拓展和模块化补充。

在现有的技术中，还没有一种适用于并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡和频率自同步方法，在完全不需要通信情况下实现多个串联逆变器间的协同控制，提高整体分布式电源发电的电压等级，保证模块间的功率平衡和电网频率同步，增强模块化系统的可靠性和即插即用能力。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡控制方法，无需通信条件下实现多个串联逆变器间的功率均衡，实现对大电网的频率和电压支撑，达到友好型并网。尽管本专利灵感启发于并联逆变器的分散控制，但是具体控制方法及稳定运行区域与并联型逆变器均不相同，填补了串联逆变器分散控制的空白。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡控制方法：串联逆变器由N个相互级联的逆变器首尾相互连接组成，用以提升整体输出电压等级和功率容量，实现低压分布式电源的友好型并网，向大电网注入所需的有功和无功功率；针对单独的一个逆变器模块，提供一种分散式功率均衡控制方法，不需要逆变器模块间任何通信信息，仅仅依靠自身本地信号，实现对单个逆变器模块的独立控制，稳态下保证逆变器模块间的功率均衡和并网频率同步。

串联逆变器系统采用级联单相全桥逆变器，通过叠加所有逆变器模块的输出电压，实现升压的目的，并通过线路阻抗与低/中/高压大电网并网，因此，并网点的总电压V_p∠δ_p为所有逆变器模块电压之和的形式：

其中，V_i和δ_i代表第i个逆变器模块的输出电容电压幅值和相位角，N代表逆变器级联总个数；

根据级联逆变器并网的拓扑结构，级联逆变器通过线路阻抗向大电网注入功率，为了实现单独逆变器的独立控制，第i个逆变器模块的输出有功功率P_i和无功功率Q_i表示为：

其中，V_g和δ_g代表大电网的电压幅值和相角，|Z_line|和θ_line代表并网点和大电网间线路阻抗的模值和矢量角，对于中高压电力系统，并网线路阻抗一般呈主感性，即θ_line≈π/2；

将并网点电压带入输出功率表达式中，可以推导出第i个逆变器模块的有功功率P_i和无功功率Q_i传输特性为：

功率传输表达式中，功率的输出特性不仅与大电网电压等级有关，还与级联的逆变器电压幅值及其之间的相位差有关，建立单独逆变器模块的输出特性模型，为本地分散式控制方法实现奠下基础。