提升并聯(lián)運(yùn)行并網(wǎng)逆變器效率的功率分配方法

姜衛(wèi)東, 皋 艷,, 丁星星, 馬煒程, 廖玉茗

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院, 安徽省合肥市 230009; 2. 合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)信息工程系, 安徽省宣城市 242000)

提升并聯(lián)運(yùn)行并網(wǎng)逆變器效率的功率分配方法

姜衛(wèi)東1, 皋 艷1,2, 丁星星1, 馬煒程2, 廖玉茗1

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院, 安徽省合肥市 230009; 2. 合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)信息工程系, 安徽省宣城市 242000)

針對(duì)并聯(lián)運(yùn)行逆變器單元轉(zhuǎn)換效率不同引起的功率損耗問題,提出了一種實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率優(yōu)化的功率分配方法。首先,建立了逆變器單元的功率模型,從理論上證明了該方法可以獲得較高的系統(tǒng)效率;其次,通過測(cè)量的電氣量計(jì)算得到系統(tǒng)效率,借助爬山法實(shí)現(xiàn)在線尋優(yōu);再次,通過MATLAB仿真驗(yàn)證了該功率分配方法的可行性;最后,在實(shí)驗(yàn)室搭建兩個(gè)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了所提出的優(yōu)化功率分配方法的可行性和有效性。

功率分配; 效率優(yōu)化; 并聯(lián)逆變器; 功率損耗

0 引言

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展,逆變器并聯(lián)運(yùn)行成為擴(kuò)大系統(tǒng)容量的一種重要途徑[1]。相對(duì)單臺(tái)大功率逆變器而言,多個(gè)小容量的逆變器并聯(lián)能夠節(jié)約成本,靈活調(diào)度,提高供電系統(tǒng)的冗余性,便于維護(hù)[2-3]。由于半導(dǎo)體功率器件的技術(shù)參數(shù),網(wǎng)側(cè)濾波參數(shù)等指標(biāo)存在差異,導(dǎo)致逆變器單元的轉(zhuǎn)換效率不同,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)相關(guān)問題的研究相對(duì)較少,因此研究一種實(shí)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)效率優(yōu)化的功率分配方法具有重要意義。

現(xiàn)有的逆變器并聯(lián)控制方法,僅考慮到并聯(lián)單元如何實(shí)現(xiàn)均流,以及并聯(lián)引起的環(huán)流問題[4-5],對(duì)于逆變器轉(zhuǎn)換效率引起的功率損耗問題研究甚少。功率下垂控制是逆變器并聯(lián)的主要控制方法[6-8],文獻(xiàn)[9]提出了一種改進(jìn)的功率下垂法,實(shí)現(xiàn)不同容量的逆變器的并聯(lián),可根據(jù)負(fù)載變化按自身額定容量對(duì)輸出功率進(jìn)行分配,但由于其輸出電壓外特性較差,不適合直接并網(wǎng),多用于微電網(wǎng)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[10]提出了無(wú)線功率下垂解耦控制,改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,但不能克服線路阻抗變化對(duì)功率均分的影響,并且假設(shè)過于理想,無(wú)互聯(lián)線下垂法自適應(yīng)性較差。此外,功率下垂控制存在計(jì)算復(fù)雜,計(jì)算量大的缺點(diǎn)。在光伏并網(wǎng)逆變器中,通常采用最大功率點(diǎn)跟蹤的控制方法[11-15],該方法旨在提高太陽(yáng)能電池的工作效率,最大限度地將光伏模塊產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化成交流電能并輸送到電網(wǎng),逆變器單元各自采用獨(dú)立的太陽(yáng)能電池,且并未考慮到逆變器單元本身的差異性。

本文在分析功率器件的導(dǎo)通關(guān)斷特性以及逆變器并聯(lián)運(yùn)行實(shí)際系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,建立了逆變器單元的功率模型。此外,以兩臺(tái)逆變器單元并聯(lián)為例,建立了額定負(fù)載功率下系統(tǒng)效率關(guān)于輸出功率的數(shù)學(xué)表達(dá)式,提出了一種實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率優(yōu)化的功率分配方法。通過爬山法[16-17]在線尋優(yōu),控制系統(tǒng)功率分配,使并聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行在最大效率點(diǎn),且隨著負(fù)載功率的變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤最大系統(tǒng)效率點(diǎn),具有極高的自適應(yīng)能力。最后,通過對(duì)兩臺(tái)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)分析,結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的優(yōu)化功率分配方法的有效性和可行性。

1 并網(wǎng)逆變器的功率交換

兩個(gè)逆變器單元共享交流母線和直流母線的并聯(lián)拓?fù)淙绺戒汚圖A1所示,其中ek為三相電網(wǎng)電壓;ikj為三相并網(wǎng)電流;ukj為逆變器輸出相電壓;Udc為直流側(cè)電壓;idc為直流側(cè)電流;Lj為網(wǎng)側(cè)濾波電感;Rj為濾波電感的寄生電阻;uoNj為電網(wǎng)中性點(diǎn)相對(duì)于直流側(cè)負(fù)母線電壓,k=a,b,c;j=1,2。

建立單臺(tái)逆變器在abc軸系下的電壓方程為:

(1)

將式(1)進(jìn)行abc/dq變換并進(jìn)行dq解耦得到逆變器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程為:

(2)

式中:ed,eq為dq軸系下電網(wǎng)電壓;udj,uqj為dq軸系下逆變器j的輸出電壓;idj,iqj為dq軸系下逆變器j的并網(wǎng)電流;ω為電網(wǎng)電壓角頻率。

逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),能量由直流側(cè)流向網(wǎng)側(cè),由于無(wú)功功率不消耗能量,本文僅討論有功功率分配。系統(tǒng)的輸入功率pin,輸出功率pout,系統(tǒng)總效率η分別表示為:

(3)

2 兩機(jī)并聯(lián)的一種優(yōu)化功率分配方法

2.1 功率分配方法

由于逆變器單元半導(dǎo)體器件、濾波電抗器等參數(shù)不一致,導(dǎo)致各單元能量轉(zhuǎn)換效率不同,當(dāng)直流側(cè)電壓和電網(wǎng)電壓不變時(shí),分析逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功率損耗,可大致分為以下三類:①與電流的平方成正比的功率損耗,主要取決于不同工作條件下功率器件的通態(tài)損耗、電抗器等效電阻損耗等;②與電流成正比的功率損耗,通常為功率器件的開關(guān)損耗等;③固定損耗,主要取決于控制單元供電損耗、采樣電阻損耗、均壓電阻損耗等。由式(3)可知,逆變器的輸出功率是電網(wǎng)電壓與電流的乘積,電網(wǎng)電壓恒定不變,因此上述功率損耗可以描述成與輸出功率相關(guān)的三類損耗。定義兩個(gè)轉(zhuǎn)換效率不一致的逆變器的功率模型為:

(4)

將式(4)代入式(3),得到并聯(lián)系統(tǒng)的效率關(guān)于逆變器單元輸出功率的函數(shù)為:

(5)

為方便計(jì)算,引入函數(shù)

(6)

由于輸出功率恒定,求式(5)所示的系統(tǒng)效率最大值就可以轉(zhuǎn)化為在約束條件式(7)下,求式(6)的最小值。

(7)

將式(7)代入式(6)并化簡(jiǎn)得:

(8)

將式(8)對(duì)變量pout1求導(dǎo):

(9)

(10)

(11)

由式(10)可以看出,由于常數(shù)項(xiàng)較小,可忽略不計(jì)。若k21>k22,可以認(rèn)為1號(hào)機(jī)的轉(zhuǎn)換效率低于2號(hào)機(jī),則任意時(shí)刻2號(hào)機(jī)分擔(dān)更多的輸出功率,因此2號(hào)機(jī)首先達(dá)到額定功率pN;反之,若k21

系統(tǒng)功率由小變大的過程中,采用優(yōu)化功率分配方法進(jìn)行功率分配可以分為兩個(gè)階段。

(12)

(13)

此時(shí)并聯(lián)系統(tǒng)的功率分配關(guān)系如式(14)所示。此時(shí)達(dá)到額定功率的逆變器始終以額定功率輸出,而另一臺(tái)逆變器隨著系統(tǒng)功率的增大,不斷增大輸出功率。由此,系統(tǒng)效率如式(15)所示。

(14)

(15)

相同系統(tǒng)給定功率條件下,采用傳統(tǒng)的等功率分配方法,并聯(lián)系統(tǒng)的功率分配關(guān)系可以表示為:

(16)

將式(16)代入式(5),得到等功率分配方法下并聯(lián)系統(tǒng)的效率為:

(17)

2.2 兩種功率分配方法性能比較

(18)

(19)

(20)

綜上所述:第一階段時(shí),采用優(yōu)化功率分配方法可以獲得更高的系統(tǒng)效率。

(21)

(22)

(23)

同理:

(24)

由此可以得出以下結(jié)論:相同系統(tǒng)功率條件下,采用優(yōu)化功率分配方法較等功率分配方法始終可以獲得更高的系統(tǒng)效率。且每臺(tái)逆變器均工作在額定功率及以下,因此不存在某一臺(tái)逆變器過載運(yùn)行的情況,不影響逆變器的使用壽命,同時(shí)具備一定的安全性。

結(jié)合式(12)、式(15)、式(17),得到采用本文提出的優(yōu)化功率分配方法比采用等功率分配方法獲得的系統(tǒng)功率提升值如式(25)所示。

(25)

由于逆變器自身效率曲線、額定功率,以及系統(tǒng)功率的不確定性,實(shí)際系統(tǒng)效率的提升值具有不確定性。針對(duì)不同的逆變器參數(shù),以及運(yùn)行于不同的系統(tǒng)功率點(diǎn),系統(tǒng)效率的提升值是不同的。本文第四節(jié)將通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證某一特定條件下,所提出的優(yōu)化功率分配方法的優(yōu)越性。

3 利用爬山法在線尋優(yōu)

由第二節(jié)分析可知,對(duì)兩機(jī)進(jìn)行功率分配可以等效為對(duì)給定電流的分配,由于逆變器單元轉(zhuǎn)換效率參數(shù)難以準(zhǔn)確測(cè)量,本文采用爬山法在線尋優(yōu),對(duì)比改變電流分配前后系統(tǒng)效率尋找最大系統(tǒng)效率點(diǎn),即從初始點(diǎn)開始以固定步長(zhǎng)改變電流分配,然后測(cè)量由于電流分配改變引起的系統(tǒng)效率的大小及變化方向,進(jìn)一步改變電流分配關(guān)系,從而尋找到最大效率對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn),其示意圖如圖1所示。

圖1 爬山法原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of hill-climbing algorithm

記第m次按固定步長(zhǎng)改變電流分配關(guān)系時(shí)對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)為Xm(m≥0),初始工作點(diǎn)為X0,系統(tǒng)最大效率對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)記為Xmax。假定系統(tǒng)以額定有功功率輸出,對(duì)應(yīng)額定電流記為單位1,爬山法在線尋優(yōu)控制過程如下:

1)取初始工作點(diǎn)為X0(E1,E2),即兩機(jī)平分負(fù)載功率,測(cè)出初始工作點(diǎn)下的系統(tǒng)功率,計(jì)算得到該點(diǎn)系統(tǒng)總效率ηX0,按固定步長(zhǎng)增大id1減小id2至工作點(diǎn)X1(D1,D2)；同樣計(jì)算得到系統(tǒng)總效率ηX1。若ηX1<ηX0,則表示系統(tǒng)工作點(diǎn)正偏離Xmax,此時(shí)應(yīng)改變工作點(diǎn)的變化方向。

2)工作點(diǎn)運(yùn)行到X2(F1,F2),得到對(duì)應(yīng)系統(tǒng)總效率ηX2,若ηX2>ηX0,則表示工作點(diǎn)逐漸接近Xmax,繼續(xù)逼近Xmax,直到工作點(diǎn)運(yùn)行到Xm,存在ηXm-1<ηXm<ηXm+1,此時(shí)Xmax=Xm。反之,若ηX2<ηX0,X0(E1,E2)即為系統(tǒng)最大效率對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)Xmax=X0(E1,E2)。

3)同理,不同負(fù)載功率下,均以電流均分作為初始工作點(diǎn)X0,重復(fù)上述步驟,若m+1次后系統(tǒng)效率滿足ηXm-1<ηXm<ηXm+1,工作點(diǎn)Xm即為最大效率對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn),即Xmax=Xm。

事實(shí)上,爬山法更適合系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,當(dāng)系統(tǒng)效率恒定時(shí),通過爬山法可以較快的跟蹤最大系統(tǒng)效率點(diǎn);當(dāng)系統(tǒng)功率突變時(shí),單純運(yùn)用爬山法尋找最大系統(tǒng)效率點(diǎn)響應(yīng)速度慢,此時(shí)可通過檢測(cè)的系統(tǒng)功率離線計(jì)算得出兩機(jī)的功率分配關(guān)系,由于系統(tǒng)采樣誤差等因素的影響,并聯(lián)系統(tǒng)可能并未運(yùn)行在最大系統(tǒng)效率點(diǎn),此時(shí)應(yīng)結(jié)合爬山法在線尋優(yōu),將離線計(jì)算得到的理想工作點(diǎn)作為在線尋優(yōu)的起始點(diǎn),實(shí)現(xiàn)在負(fù)載功率發(fā)生波動(dòng)時(shí),能夠同時(shí)兼顧動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快和準(zhǔn)確跟蹤的優(yōu)點(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真結(jié)果分析

為了證明本文提出的優(yōu)化功率分配方法的有效性,采用MATLAB仿真模擬逆變器的效率曲線,將本文提出的優(yōu)化功率分配方法(方法1)與等功率分配方法(方法2)的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。首先測(cè)試實(shí)驗(yàn)所用到的兩臺(tái)額定功率均為7 kW的逆變器單元在主電路參數(shù)不一致的情況下,即分別接入不同大小的阻抗時(shí),單機(jī)運(yùn)行時(shí)的效率曲線。以額定功率為限,均勻的選取10個(gè)功率點(diǎn)(10%～100%的額定功率)進(jìn)行測(cè)量,獲得該功率點(diǎn)下的單機(jī)效率。然后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,獲得單機(jī)的效率曲線如圖1所示,該曲線很好地描述了兩臺(tái)逆變器的效率與輸出功率的關(guān)系。經(jīng)過曲線擬合后,得到式(4)中的系數(shù)k11=0.000 003,k21=0.000 001 5,p01=30 W;k12=0.000 01,k22=0.000 005 5,p02=80 W。變流器的功率模型僅與其自身參數(shù)有關(guān),而與負(fù)載功率的變化無(wú)關(guān)。若變流器參數(shù)發(fā)生變化,如采用不同阻抗的濾波電感,必須重復(fù)上述測(cè)試過程,以獲得每臺(tái)變流器的功率模型。由于仿真數(shù)據(jù)建立在系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際效率下,因此主電路參數(shù)不一致等因素已被考慮,仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行的輸出功率接近一致。

圖2給出了不同輸出功率下采用方法1和方法2分配系統(tǒng)功率時(shí)系統(tǒng)效率曲線及其局部展開圖;采用方法1分配系統(tǒng)功率獲得的系統(tǒng)效率恒比采用方法2獲得的系統(tǒng)效率高,且在中等功率時(shí)較為明顯。圖3給出了采用方法1、方法2時(shí)兩機(jī)的功率分配關(guān)系。

由圖3所示仿真結(jié)果可知,第一階段時(shí),采用方法1進(jìn)行功率分配時(shí),各機(jī)功率分配關(guān)系滿足式(10)所示規(guī)律,由于常數(shù)項(xiàng)較小,可近似忽略,則輸出功率滿足pout1∶pout2=k22∶k21=11∶3;當(dāng)系統(tǒng)功率為1.267倍額定功率時(shí),進(jìn)入第二階段。采用方法1時(shí),1號(hào)機(jī)已達(dá)到額定容量,若繼續(xù)增大系統(tǒng)功率,1號(hào)機(jī)滿載運(yùn)行,2號(hào)機(jī)輸出功率繼續(xù)增大,直至滿載運(yùn)行。而采用方法2分配負(fù)載功率時(shí),隨著系統(tǒng)功率的增加,兩機(jī)總是平分系統(tǒng)功率,直至兩機(jī)均滿載運(yùn)行。

圖2 不同輸出功率下系統(tǒng)的效率曲線及其局部展開圖Fig.2 Efficiency curve of parallel system with different output power and its partial expanded view

圖3 功率分配關(guān)系Fig.3 Power allocation relationship

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文所建立的逆變器功率模型以及優(yōu)化功率分配方法的有效性,搭建了逆變器并聯(lián)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?？刂菩酒捎肍reescale公司的DSP MC56F8345,IGBT型號(hào)為三菱公司的CM75DX-24S-E。采用文獻(xiàn)[5]所提出的環(huán)流抑制方法,系統(tǒng)環(huán)流得到有效抑制。平臺(tái)的系統(tǒng)參數(shù)如下:開關(guān)頻率6 kHz,網(wǎng)側(cè)相電壓220 V,網(wǎng)側(cè)濾波電感1為4 mH,網(wǎng)側(cè)濾波電感2為5 mH,濾波電感1等效電阻0.4 Ω,濾波電感2等效電阻0.6 Ω,固定損耗1為30 W,固定損耗2為80 W,直流側(cè)電容2 820 μF,額定功率7 kW。

附錄A圖A2給出了系統(tǒng)總功率分別為4.2 kW,8.86 kW,以及14 kW時(shí),采用方法1和方法2進(jìn)行功率的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比較附錄A圖A2可以看出,采用方法1時(shí),兩機(jī)的輸出電流不一致,即輸出功率不一致;采用方法2時(shí),兩機(jī)的輸出電流完全相同,即兩機(jī)平分系統(tǒng)功率。附錄A圖A2(a)和附錄A圖A2(d)分別給出了總功率為4.2 kW時(shí),采用方法1和方法2實(shí)現(xiàn)功率分配的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由附錄A圖A2(a)可以看出,采用方法1時(shí),1號(hào)機(jī)輸出功率為3.3 kW,2號(hào)機(jī)輸出功率為0.9 kW,兩機(jī)輸出功率比值為11∶3,即1號(hào)機(jī)分擔(dān)更多的輸出功率。此時(shí),1號(hào)機(jī)的相電流幅值為7.07 A,2號(hào)機(jī)的相電流幅值為1.93 A。由附錄A圖A2(d)可以看出,采用方法2時(shí),兩機(jī)輸出功率各為2.1 kW,無(wú)明顯波動(dòng);相電流基本一致,幅值為4.5 A,電流波形正弦度較好。

附錄A圖A2(b)和附錄A圖A2(e)分別給出了總功率為8.86 kW時(shí),采用方法1和方法2實(shí)現(xiàn)功率分配的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由附錄A圖A2(b)可以看出,采用方法1時(shí),1號(hào)機(jī)的輸出功率為7 kW,2號(hào)機(jī)的輸出功率為1.86 kW,其中1號(hào)機(jī)達(dá)到額定功,兩機(jī)輸出功率比值為11∶3。此時(shí),1號(hào)機(jī)的相電流幅值為15 A,2號(hào)機(jī)的相電流幅值為4 A,電流波形三相對(duì)稱;由附錄A圖A2(e)可以看出,采用方法2時(shí),兩機(jī)輸出功率各為4.43 kW,無(wú)明顯波動(dòng);相電流基本一致,幅值為9.5 A,電流波形正弦度較好。

附錄A圖A2(c)和附錄A圖A2(f)給出了總輸出功率為14 kW時(shí),采用方法1和方法2實(shí)現(xiàn)功率分配的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于單機(jī)額定容量均為7 kW,兩機(jī)均以額定功率運(yùn)行,相電流幅值均達(dá)到15 A,電流波形三相對(duì)稱,且正弦度較好,兩種功率分配方法完全等效。

圖4(a)給出了總功率為4.2 kW時(shí),系統(tǒng)工作點(diǎn)由功率均分點(diǎn)過渡到最大系統(tǒng)效率點(diǎn)的過程。首先,系統(tǒng)在功率均分點(diǎn)上穩(wěn)定運(yùn)行,兩機(jī)波形基本一致,輸出功率各為2.1 kW,相電流幅值為4.5 A;引入優(yōu)化功率分配方法,利用爬山法尋找最大系統(tǒng)效率點(diǎn),1號(hào)機(jī)的輸出功率逐漸增大至3.3 kW,2號(hào)機(jī)的輸出功率逐漸減小至0.9 kW。此時(shí),1號(hào)機(jī)的輸出相電流由4.5 A平滑過渡到7.07 A,2號(hào)機(jī)的輸出相電流由4.5 A平滑過渡到1.93 A,電流波形三相對(duì)稱,無(wú)明顯錯(cuò)點(diǎn),過渡過程約為200 ms。過渡過程結(jié)束后,系統(tǒng)在最大系統(tǒng)效率點(diǎn)處穩(wěn)定運(yùn)行,如附錄A圖A2(a)所示。

圖4(b)給出了總功率為8.86 kW時(shí),系統(tǒng)工作點(diǎn)由功率均分點(diǎn)過渡到最大系統(tǒng)效率點(diǎn)的過程。首先,系統(tǒng)在功率均分點(diǎn)上穩(wěn)定運(yùn)行,兩機(jī)波形基本一致,輸出功率各為4.43 kW,相電流幅值為9.5 A;引入優(yōu)化功率分配方法,利用爬山法尋找最大系統(tǒng)效率點(diǎn),1號(hào)機(jī)的輸出功率逐漸增大至7 kW,達(dá)到額定功率,2號(hào)機(jī)的輸出功率逐漸減小至1.86 kW。此時(shí),1號(hào)機(jī)的輸出相電流由9.5 A平滑過渡到15 A,2號(hào)機(jī)的輸出相電流由9.5 A平滑過渡到4 A,電流波形三相對(duì)稱,無(wú)明顯錯(cuò)點(diǎn),過渡過程約為200 ms。過渡過程結(jié)束后,系統(tǒng)在最大系統(tǒng)效率點(diǎn)處穩(wěn)定運(yùn)行,如附錄A圖A2(b)所示。

圖4 最大系統(tǒng)效率點(diǎn)跟蹤Fig.4 Maximum system efficiency point tracking

圖5給出了負(fù)載功率發(fā)生突變的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中C點(diǎn)為負(fù)載突變時(shí)刻,系統(tǒng)功率由4.2 kW突變到8.86 kW。AC段為系統(tǒng)功率為4.2 kW時(shí)的最大系統(tǒng)跟蹤過程,結(jié)果與圖4(a)一致。當(dāng)系統(tǒng)功率突變?yōu)?.86 kW時(shí),通過離線計(jì)算出每臺(tái)變流器所需分擔(dān)的功率,其中,1號(hào)機(jī)的輸出功率為7 kW,2號(hào)機(jī)的輸出功率為1.86 kW,結(jié)果與圖4(b)一致。

表1給出了不同功率時(shí),分別采用方法1和方法2所獲得的系統(tǒng)效率。其中,系統(tǒng)功率為4.2 kW時(shí),采用方法1獲得的系統(tǒng)實(shí)測(cè)效率為97%,系統(tǒng)仿真效率為97.1%;而采用方法2獲得的系統(tǒng)實(shí)測(cè)效率為96.7%,系統(tǒng)仿真效率為96.8%。系統(tǒng)功率為8.86 kW時(shí),采用方法1獲得的系統(tǒng)實(shí)測(cè)效率為97.8%,系統(tǒng)仿真效率為97.9%;而采用方法2獲得的系統(tǒng)實(shí)測(cè)效率為97.3%,系統(tǒng)仿真效率為97.4%?？梢钥闯?系統(tǒng)效率提高約0.3%～0.5%,且實(shí)際測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致,即采用方法1可以獲得更高的系統(tǒng)效率。當(dāng)系統(tǒng)功率為14 kW時(shí),由于兩機(jī)均滿載運(yùn)行,采用方法1獲得的系統(tǒng)效率與采用方法2獲得的系統(tǒng)效率基本一致。根據(jù)三個(gè)功率點(diǎn)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相一致,說明圖2也很好地反映了系統(tǒng)方法1的效果。

圖5 負(fù)載突變實(shí)驗(yàn)Fig.5 Experimental results under load change

表1 系統(tǒng)效率Table 1 System efficiency

5 結(jié)語(yǔ)

本文建立了逆變器單元的功率模型,進(jìn)而提出一種實(shí)現(xiàn)最大系統(tǒng)效率的優(yōu)化功率分配方法。搭建了逆變器并聯(lián)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),證明了相對(duì)于傳統(tǒng)的等功率分配方法,本文提出的優(yōu)化功率分配方法獲得更高的系統(tǒng)效率。由此利用爬山法在線尋優(yōu),實(shí)現(xiàn)最大系統(tǒng)效率點(diǎn)跟蹤。且過渡過程耗時(shí)較短,且三相電流正弦度較好。

通過本文提出的優(yōu)化功率分配方法,結(jié)合逆變器的實(shí)際運(yùn)行效率,可以獲得較高的系統(tǒng)效率,在一定程度上節(jié)約了能源,產(chǎn)生更高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

針對(duì)多個(gè)逆變器并聯(lián)時(shí)的功率分配問題,由于逆變器數(shù)量的增加,優(yōu)化問題變得尤為復(fù)雜,研究結(jié)果初步表明,三個(gè)及以上逆變器并聯(lián)的效率整體優(yōu)化問題是一個(gè)多參數(shù)的尋優(yōu)問題。需借助拉格朗日乘數(shù)法等手段進(jìn)行研究,因?yàn)樯腥币恍﹪?yán)格的理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,本文暫時(shí)未對(duì)這一問題展開。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Power Allocation Method for Improving Efficiency of Grid-connected Inverters Under Parallel Operation

JIANGWeidong1,GAOYan1,2,DINGXingxing1,MAWeicheng2,LIAOYuming1

(1. School of Electrical Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2. Department of Information Engineering, Hefei University of Technology Xuancheng Campus, Xuancheng 242000, China)

As parallel connection for multiple inverters can effectively increase the system level,when considering the total power loss caused by different power conversion efficiency, an improved power allocation method is proposed. First, the power model of each inverter is built to prove higher system efficiency can be achieved with the improved power allocation method in theory. Secondly, the system efficiency can be calculated with easily measurable electric parameters to achieve online optimization by adopting the mountaineering method. Thirdly, the feasibility of the improved power allocation method is verified with MATLAB/Simulink software. Finally, the experimental platform of parallel inverters is built in the laboratory to verify the feasibility and effectiveness of this method by experiment.

power allocation; efficiency optimization; parallel inverters; power loss

2016-08-18;

2017-02-19。

上網(wǎng)日期: 2017-06-27。

姜衛(wèi)東(1976—),男,通信作者,教授,主要研究方向:電力電子與電力傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)系統(tǒng)控制。E-mail： ahjwd@163.com

皋 艷(1993—),女,碩士研究生,主要研究方向:電力電子與電力傳動(dòng)。E-mail: 1060459040@qq.com

丁星星(1992—),男,碩士研究生,主要研究方向:電力電子與電力傳動(dòng)。E-mail: 1730015364@ qq.com

(編輯 丁琰)

( continued on page 158)( continuedfrompage127)