专利名称：逆变器控制方法
技术领域：
本发明涉及一种逆变器控制方法，属于电力电子装置控制领域。
背景技术：
与目前已有的集中式发、输、配的电网架构相比，在配电网中安装小型分布式电源，不但可以缩小发电设备与负荷之间的物理和电气距离，减少传输损耗，而且可以延迟对大型配电网和发电机组的投资。特别是在分布式电源具有“即插即用”功能以后，更加促进了将分布式电源针对特定负荷，就近安装使用的发展模式。同时，当分布式电源具有离网运行功能时，即使在电网故障的情况下，分布式电源仍能组成独立运行的电网，为负荷提供稳定的电压支撑和能量供应，从而提高了供电可靠性。为满足上述要求，实现即插即用和离网稳定运行，分布式电源需要具有电压源特性输出。而作为分布式电源的重要组成部分和未来发展方向，使用多种可再生能源(如光伏、风力发电等)发电的分布式电源大都存在能源间歇性的问题，为实现对可再生能源的充分利用，此类分布式电源必须采用最大功率跟踪控制，即MPPT(MaXimum Power Point Tracking)技术。因此，对于使用可再生能源发电的分布式电源，要想更好的实现即插即用、 离网运行和可再生能源高效利用等功能，应当同时具有MPPT和电压源特性输出。但针对上述分布式电源的技术需求现状是一方面，一些可再生能源发电逆变器虽具有MPPT功能，但通常为电流源特性输出，离网运行时难以组网，不能为负荷提供稳定的电压和频率支撑；而另一方面，一些具有离网稳定运行功能的分布式电源逆变器没有 MPPT功能，不能够实现可再生能源的有效利用。同时具有MPPT和电压源特性输出的逆变器控制方式，目前没有得到明确的提出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种逆变器控制方法，该方法具有最大功率点跟踪MPPT 功能，同时具有电压源特性输出。本发明采取了如下技术方案实现该方法所基于的系统包括连接于可再生能源发电装置和电网之间的功率变换单元、与功率变换单元相连接的逆变器控制单元、与逆变器控制单元相连接的MPPT控制单元、以及用于检测系统电压电流变量的电压电流检测单元。该方法包括如下步骤逆变器控制单元利用MPPT控制单元的计算数据和电压电流检测单元的检测数据，控制功率变换单元实现电压源输出特性，同时保证可再生能源发电装置的输出功率保持在最大值。所述逆变器控制单元采用下垂特性控制方式控制功率变换单元实现电压源特性输出。所述下垂特性控制方式使得功率变换单元的电压源输出外特性满足有功功率-频率下垂特性曲线和无功功率-电压幅值下垂特性曲线。
所述电压源输出外特性进一步包括当功率变换单元处于并网状态时，功率变换单元输出的有功功率等于当前电网电压的频率在有功功率-频率下垂特性曲线中对应的有功功率值，无功功率等于当前电网电压的幅值在无功功率-电压幅值下垂特性曲线中对应的无功功率值。所述电压源输出外特性进一步包括当功率变换单元处于离网状态时，功率变换单元输出的电网电压的频率等于当前功率变换单元输出的有功功率在有功功率-频率下垂特性曲线中对应的频率值，电网电压的幅值等于当前功率变换单元输出的无功功率在无功功率-电压幅值下垂特性曲线中对应的电压幅值。所述有功功率-频率下垂特性曲线方程为F(Pe) = -HifPdftl，其中_mf为有功功率-频率下垂特性曲线的斜率，Pe为功率变换单元当前输出的有功功率大小，&为在功率变换单元输出有功功率为零时对应的电网电压频率。所述无功功率-电压幅值下垂特性曲线方程为F (Qe) Z-HlvQfVci，其中_mv为无功功率-电压幅值下垂特性曲线的斜率，％为功率变换单元当前输出的无功功率大小，Vtl为在功率变换单元输出无功功率为零时对应的电网电压幅值。所述可再生能源发电装置的输出功率保持在最大值进一步包括，所述MPPT控制单元对功率变换单元的输出功率是否达到可再生能源发电装置输出功率的最大值进行实时判断，并将判断结果传递给逆变器控制单元，逆变器控制单元通过平移下垂特性曲线的方式控制功率变换单元增加或减少其输出功率，直至功率变换单元输出功率达到可再生能源发电装置输出功率的最大值。所述逆变器控制单元对功率变换单元输出的有功功率进行调节，保证功率变换单元输出的有功功率等于可再生能源发电装置输出的有功功率最大值。所述逆变器控制单元通过调节有功功率-频率下垂特性曲线方程F(I5e) =-mfPG+f0中的&来实现Ρ-f下垂特性曲线的F (Pg)上移、下移或不动，进而实现功率变换单元输出功率的增加、减小或保持，使可再生能源发电装置的输出功率保持在最大值由于可再生能源发电装置的输出功率为有功功率，为保证可再生能源发电装置输出的功率保持在最大值，逆变器控制单元主要针对功率变换单元输出的有功功率进行调节控制，保证功率变换单元输出的有功功率等于可再生能源发电装置输出的有功功率最大值。相对于现有技术而言，本发明具有以下优点本发明中的逆变器控制方式，能够将功率变换单元的电压源特性输出和可再生能源发电装置的MPPT功能有效结合在一起，使得功率变换单元一方面具有MPPT功能，而另一方面，具有电压源特性输出，而非电流源特性输出，离网运行时便于组网，能为负荷提供稳定的电压和频率支撑，为分布式发电提供应用。
图1为本发明涉及的发电装置的组成结构图；图加为逆变器控制单元中Ρ-f下垂特性曲线示意图；图2b为逆变器控制单元中Q-V下垂特性曲线示意图；图3a为并网情况下，P-f下垂特性曲线平移时，逆变器输出功率变化示意图；图北为离网情况下，P-f下垂特性曲线平移时，逆变器输出功率变化示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。实施例本发明中发电装置结构如图1所示，包括可再生能源发电装置1、功率变换单元3、 逆变器控制单元4、MPPT控制单元5和电压电流检测单元6。可再生能源发电装置1通过功率变换单元3与电网2相连，逆变器控制单元4和MPPT控制单元5利用电压电流检测单元 6输出的数据反馈变量和控制参考变量，进行相应的逻辑判断和数据处理，最终由逆变器控制单元4输出的PWM控制信号，控制功率变换单元3中的半导体功率器件的开关状态。通过引入下垂特性控制方式，功率变换单元3电压源输出的外特性满足下垂特性曲线，即有功功率-频率下垂特性曲线(p-f下垂特性曲线)，如图加，和无功功率-电压幅值下垂特性曲线Oi-V下垂特性曲线)，如图2b。同时利用对上述下垂特性曲线进行垂直上下平移的方式实现功率变换单元3输出功率对MPPT调节逆变器输出功率指令的响应，从而实现功率变换单元3输出特性兼具电压源特性输出和最大功率跟踪两项功能，为多种具有能源间歇性的可再生能源提供一种有效的分布式电源应用方案。可再生能源发电装置1通过功率变换单元3与电网2相连。可再生能源发电装置 1将其他形式的能量转化为电能后，再由功率变换单元3将其转化为能够用于商用电网的交流电(50Hz或60Hz)。可再生能源发电装置1可以是多种可再生能源，如光伏或风力发电等，本发明不对其加以限制。电网2既可以是公共大电网，也可以是离网独立运行的局域交流母线，也可以根据逆变器的实际应用环境和技术需求，灵活选择，如单相电网或三相电网等，本发明不对其加以限制。功率变换单元3，用于将不同形式的电能(交直流、电压、频率等)相互的转换，其主电路结构可以根据具体使用环境和技术需求而设计，本发明不对其加以限制。电压电流检测单元6利用电压传感器和电流传感器，分别对逆变器中各关键节点的电压电流进行实时监测，并实时计算有功功率和无功功率等参数，从而为MPPT控制单元 5和逆变器控制单元4提供数据反馈变量和控制参考变量。计算得到的MPPT控制单元5和逆变器控制单元4运算中需要的系统参数，包括逆变器输出功率、本地交流电压频率、本地交流电压幅值等。本发明不对具体使用的传感器加以限制。逆变器控制单元4中，实现控制功率变换单元3具有电压源特性输出的具体控制方式可以多种，本发明不予限制。而通过引入下垂特性控制方式，功率变换单元3电压源输出的外特性满足下垂特性曲线，即有功功率-频率下垂特性曲线(P-f下垂特性曲线)，如图 2a，和无功功率-电压幅值下垂特性曲线Ol-V下垂特性曲线)，如图2b。并网时，由于电网 2的电压的频率和幅值由电网决定，因此逆变器控制单元4根据电网2电压的频率在P-f下垂特性曲线(图加)中的位置，判断并控制功率变换单元3输出的有功功率大小；同理，逆变器控制单元4根据电网2电压的幅值在Q-V下垂特性曲线(图2b)中的位置，判断并控制功率变换单元3输出的无功功率大小。离网时，电网2的电压的频率和幅值由功率变换单元3输出的交流电压决定，因此逆变器控制单元4根据当前功率变换单元3输出有功功率在P-f下垂特性曲线(图2a)中的位置，判断并控制功率变换单元3输出的交流电压的频率；根据当前功率变换单元3输出无功功率在Q-V下垂特性曲线(图2b)中的位置，判断并控制功率变换单元3输出的交流电压的幅值。MPPT控制单元5作为实现逆变器最大功率点跟踪功能的核心控制单元，只要能够完成对可再生能源发电装置1的输出功率是否达到最大值的准确快速判断即可，使用的控制算法可以多种多样，如爬山法，导纳增量法等，本发明不对其加以限制。 MPPT控制单元5根据某一特定的控制算法，对功率变换单元3输出功率是否达到可再生能源发电装置1输出功率的最大值，进行实时判断，并将判断结果传递给逆变器控制单元4，有如下三种情况1)当所述功率变换单元3输出功率小于可再生能源发电装置 1的最大输出功率时，MPPT控制单元5对逆变器控制单元4给出增加功率变换单元3输出功率的指令；2)当所述功率变换单元3输出功率等于可再生能源发电装置1的最大输出功率，MPPT控制单元5则对逆变器控制单元4给出维持当前功率变换单元3输出功率的指令； 3)当所述功率变换单元3输出功率大于可再生能源发电装置1的最大输出功率时，MPPT控制单元5则对逆变器控制单元4给出减小功率变换单元3输出功率的指令。上述调节过程直至MPPT控制单元5判断功率变换单元3的输出功率已达到可再生能源发电装置1的最大发电能力为止。由于可再生能源发电装置1的输出功率为有功功率，为保证可再生能源发电装置 1输出的功率保持在最大值，逆变器控制单元4主要针对功率变换单元3输出的有功功率进行调节控制，保证功率变换单元3输出的有功功率等于可再生能源发电装置1输出的有功功率最大值。而逆变器控制单元4对功率变换单元3输出的无功功率控制，符合无功功率-电压幅值下垂特性曲线，但无功功率_电压幅值下垂特性曲线的调节控制，可以根据具体使用环境和技术需求而设计，本发明不对其加以限制。逆变器控制单元4根据MPPT控制单元5给出的逆变器输出功率调节指令，通过上下平移有功功率_频率下垂特性曲线的方式，实现功率变换单元3输出功率对MPPT控制单元5输出指令的响应，并最终以输出PWM脉冲信号的形式，控制功率变换单元3中半导体开关器件的开关状态。本发明中的逆变器控制单元4，作为响应MPPT控制单元5最大功率跟踪指令的单元，当得到MPPT控制单元5给出的增加逆变器输出功率命令时，会向上平移Ρ-f下垂特性曲线，从而主动增加功率变换单元3输出的有功功率；反之，当得到MPPT控制单元5给出的减小逆变器输出功率命令时，会向下平移P_f下垂特性曲线，从而主动减小功率变换单元3 输出的有功功率。上述调节过程，在不影响逆变器电压源特性输出的基础上，实现了逆变器主动调节其输出功率，使逆变器具有动态MPPT的功能。逆变器控制单元4首先根据MPPT控制单元5的调节逆变器输出功率指令，自动对其内部P-f下垂特性曲线方程F(Pe)(其中有功功率频率下垂特性曲线的斜率，Pe为功率变换单元当前输出的有功功率大小，fo为在功率变换单元输出有功功率为零时对应的电网电压频率)进行调节1)当接收到MPPT控制单元5的“增加逆变器输出功率”指令时，逆变器控制单元 4逐渐增大P-f下垂特性曲线方程F (Pe) =_11^(；+&中的&项，从而实现？( (；)曲线方程的上移。2)当接收到MPPT控制单元的“减小逆变器输出功率”指令时，逆变器控制单元逐渐减小P-f下垂特性曲线方程F(Pe) =-mfPe+fQ中的fQ项，从而实现F(Pe)曲线方程的下移。3)当接收到MPPT控制单元的“维持逆变器当前输出功率”指令时，逆变器控制单元维持P-f下垂特性曲线方程F (Pg) = -mfPG+f0中的L项不变，从而实现F (Pg)曲线方程的稳定。其后，逆变器控制单元根据上述调节完成后的P-f下垂特性曲线F(Pe) =-HifPt^ftl，控制逆变器以电压源特性输出，如图3所示1)并网情况下，当公共电网足够坚强时，可保证电网频率恒定为fn，如图3a所示， 当逆变器控制单元因接收到MPPT控制单元“维持逆变器当前输出功率”的指令，而保持其内部P-f下垂特性曲线F(Pe)不变时，逆变器输出功率将恒定为P。lt)2)上述情况下，当逆变器控制单元因接收到MPPT控制单元“增加逆变器输出功率”指令，而将P-f下垂特性曲线F(Pe)上移到F(P' G)时，从图3a中可知，逆变器输出功率将从Pt5l增加到P。2，从而响应MPPT控制单元的调节指令。3)反之，在上述情况下，当逆变器控制单元因接收到MPPT控制单元“减小逆变器输出功率”指令，而将P-f下垂特性曲线F(Pe)下移到F(P" G)时，从图中3a可知，逆变器输出功率将从Ptjl减小到P。3，从而响应MPPT控制单元的调节指令。4)离网情况下，以负荷静态曲线如图3b所示F(Pd) = k(f-fD0)为例，其中k是曲线的斜率，fD(l是负荷为零时对应电网电压的频率。如逆变器控制单元因接收到MPPT控制单元“维持逆变器当前输出功率”的指令，而保持其内部P-f下垂特性曲线F(Pe)不变时，逆变器输出功率将恒定为P”5)上述情况下，当逆变器控制单元因接收到MPPT控制单元“增加逆变器输出功率”指令，而将P-f下垂特性曲线F(Pe)上移到F(P' G)时，从图3b中可知，逆变器输出功率将从Ptjl增加到P。2，从而响应MPPT控制单元的调节指令。6)当逆变器控制单元因接收到MPPT控制单元“减小逆变器输出功 率”指令，而将 p-f下垂特性曲线F(Pe)下移到F(P" G)时，从图中3b可知，逆变器输出功率将从Ptjl减小到P。3，从而响应MPPT控制单元的调节指令。以上对本发明所提供的一种逆变器控制方法进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种逆变器控制方法，其特征在于，所基于的系统包括连接于可再生能源发电装置和电网之间的功率变换单元、与功率变换单元相连接的逆变器控制单元、与逆变器控制单元相连接的MPPT控制单元、以及用于检测系统电压电流变量的电压电流检测单元；该方法包括逆变器控制单元控制功率变换单元实现电压源输出特性，同时保证可再生能源发电装置的输出功率保持在最大值。
2.根据权利要求1所述的一种逆变器控制方法，其特征在于所述逆变器控制单元采用下垂特性控制方式控制功率变换单元实现电压源特性输出。
3.根据权利要求2所述的一种逆变器控制方法，其特征在于，所述下垂特性控制方式使得功率变换单元的电压源输出外特性满足有功功率-频率下垂特性曲线和无功功率-电压幅值下垂特性曲线。
4.根据权利要求3所述的一种逆变器控制方法，其特征在于，所述电压源输出外特性进一步包括当功率变换单元处于并网状态时，功率变换单元输出的有功功率等于当前电网电压的频率在有功功率-频率下垂特性曲线中对应的有功功率值，无功功率等于当前电网电压的幅值在无功功率-电压幅值下垂特性曲线中对应的无功功率值。
5.根据权利要求3所述的一种逆变器控制方法，其特征在于，所述电压源输出外特性进一步包括当功率变换单元处于离网状态时，功率变换单元输出的电网电压的频率等于当前功率变换单元输出的有功功率在有功功率-频率下垂特性曲线中对应的频率值，电网电压的幅值等于当前功率变换单元输出的无功功率在无功功率-电压幅值下垂特性曲线中对应的电压幅值。
6.根据权利要求3所述的一种逆变器控制方法，其特征在于，所述有功功率-频率下垂特性曲线方程为F(Pe) = -HifPdftl，其中_mf为有功功率-频率下垂特性曲线的斜率，Pg为功率变换单元当前输出的有功功率大小，f0为在功率变换单元输出有功功率为零时对应的电网电压频率。
7.根据权利要求3所述的一种逆变器控制方法，其特征在于，所述无功功率-电压幅值下垂特性曲线方程为WQe)，其中-mv为无功功率-电压幅值下垂特性曲线的斜率，％为功率变换单元当前输出的无功功率大小，Vtl为在功率变换单元输出无功功率为零时对应的电网电压幅值。
8.根据权利要求1所述的一种逆变器控制方法，其特征在于所述可再生能源发电装置的输出功率保持在最大值进一步包括，所述MPPT控制单元对功率变换单元的输出功率是否达到可再生能源发电装置输出功率的最大值进行实时判断，并将判断结果传递给逆变器控制单元，逆变器控制单元通过平移下垂特性曲线的方式控制功率变换单元增加或减少其输出功率，直至功率变换单元输出功率达到可再生能源发电装置输出功率的最大值。
9.根据权利要求8所述的一种逆变器控制方法，其特征在于所述逆变器控制单元对功率变换单元输出的有功功率进行调节，保证功率变换单元输出的有功功率等于可再生能源发电装置输出的有功功率最大值。
10.根据权利要求9所述的一种逆变器控制方法，其特征在于，所述逆变器控制单元通过调节有功功率-频率下垂特性曲线方程F (Pg) = -mfPG+f0中的&来实现P-f下垂特性曲线的F(Pe)上移、下移或不动，进而实现功率变换单元输出功率的增加、减小或保持，使可再生能源发电装置的输出功率保持在最大值。
全文摘要
本发明公开了一种逆变器控制方法，该方法在保证逆变器的电压源特性输出的同时，又具有最大功率跟踪能力。本发明通过对逆变器控制引入下垂特性的控制方法，使得逆变器在具有电压源特性输出的基础上，具有符合下垂特性曲线的输出功率控制功能。针对MPPT的调节逆变器输出功率指令，本发明通过引入下垂特性曲线垂直上下平移的方式，实现逆变器对调节输出功率指令的响应，从而实现逆变器输出特性兼具电压源特性输出和最大功率跟踪两项功能，为多种具有能源间歇性的可再生能源提供一种有效的分布式电源应用方案，从而扩大可再生能源在分布式电源中的应用。
文档编号H02M7/00GK102299645SQ201110264228
公开日2011年12月28日 申请日期2011年9月7日 优先权日2011年9月7日
发明者金新民, 马添翼, 黄杏 申请人:北京交通大学