多機并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)／并聯(lián)統(tǒng)一控制策略

闞加榮，謝少軍，過 亮

（1.鹽城工學院 電氣工程學院，江蘇 鹽城 224051；2.南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016；3.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210003）

0 引言

太陽能、風能以及燃料電池作為新型清潔的能源受到了廣泛的關注，利用這些能源的分布式發(fā)電技術成為全球能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分[1]。新能源分布式發(fā)電的逆變器一般工作在并網(wǎng)運行狀態(tài)，以電流控制方式運行，在某些場合，并網(wǎng)逆變器也需要以電壓控制模式運行，以便在孤島狀態(tài)下能保證本地關鍵負載的連續(xù)運行，即逆變器需兼具并網(wǎng)和獨立運行功能。

電源的模塊化技術具有冗余度高、可靠性強、易于擴展、維修方便等一系列優(yōu)點，將電源模塊化技術應用于新能源并網(wǎng)必將成為今后一段時期的研究熱點。電源模塊化后，電網(wǎng)正常運行時，逆變器控制采用并網(wǎng)控制技術；電網(wǎng)故障時，逆變器控制采用并聯(lián)控制技術。但目前模塊化的逆變器并聯(lián)[2]和并網(wǎng)控制技術[3-4]有不同的理論基礎，采用不同的控制方法。

逆變器并聯(lián)控制技術主要包括集中控制方式[5]、主從控制方式[6]、分散邏輯控制方式[7]以及無互聯(lián)線并聯(lián)控制方式[8-9]。逆變器并網(wǎng)控制技術主要包括直接電流控制技術[10-13]和間接電流控制技術[14-15]。模塊化電源在并網(wǎng)狀態(tài)時，如果采用直接電流控制方式，逆變器是一個受控電流源，逆變器輸出端的電壓由電網(wǎng)決定；如果采用間接電流控制方法，逆變器是一個受控電壓源，需要調(diào)整逆變器輸出電壓的相位和幅值，使并網(wǎng)電流可控。模塊化電源處于孤島狀態(tài)時，逆變器需要并聯(lián)運行，逆變器為一受控電壓源?？梢钥闯鰹榱吮苊饽孀兤鞑⒕W(wǎng)與并聯(lián)之間控制模式轉換的問題[16]，并網(wǎng)時逆變器需要采用間接電流控制模式。傳統(tǒng)的間接電流控制方法中[17]，逆變器基準電壓的相位角和幅值通過公式計算而來，所用的變量包括電感值，而電感值在工作過程中可能受多種因素影響而發(fā)生變化，會造成幅值和相位角計算不準確。文獻[18]提出了一種改進的間接電流控制方法，使逆變器的基準電壓幅值始終等于電網(wǎng)電壓的幅值，將進網(wǎng)電流閉環(huán)以調(diào)節(jié)逆變器基準電壓的相位，從而實現(xiàn)逆變器并網(wǎng)，該方法不需要直接計算逆變器基準電壓的相位角和幅值，克服了傳統(tǒng)間接電流控制方法的缺點，但它未對逆變器基準電壓的幅值進行調(diào)節(jié)，進網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓必然存在相位差，造成進網(wǎng)功率因數(shù)小于1。這些間接電流并網(wǎng)控制策略都不能直接用于逆變器并聯(lián)控制。

根據(jù)逆變器并聯(lián)和間接電流型并網(wǎng)的有功調(diào)頻、無功調(diào)幅的基本控制理論，提出了一種多機并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)/并聯(lián)統(tǒng)一控制策略，單臺逆變器采用電感電流瞬時值內(nèi)環(huán)、輸出電壓外環(huán)的電壓型控制方式[19]，該控制方式具有一定的反孤島性能[20]。利用有功功率閉環(huán)調(diào)節(jié)逆變器基準電壓的相位、無功功率閉環(huán)調(diào)節(jié)基準電壓的幅值，實現(xiàn)逆變器并聯(lián)和并網(wǎng)統(tǒng)一控制。

1 多機并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)

圖1為采用了模塊化電源技術后的多機并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)。系統(tǒng)中，有n個模塊化的逆變電源，每個模塊化電源輸出通過開關 Si（i=1，2，…，n）并聯(lián)連接到母線上，本地關鍵負載直接連接到并聯(lián)母線上，并聯(lián)母線通過開關S連接到電網(wǎng)上。電網(wǎng)正常工作時，開關S閉合，并聯(lián)母線電壓即為電網(wǎng)電壓，每臺逆變器均工作于并網(wǎng)狀態(tài)，將新能源發(fā)出的電能一部分供給本地關鍵負載，多余能量輸送給電網(wǎng)；電網(wǎng)故障時，通過多機并網(wǎng)逆變器的孤島檢測技術[21]，斷開并網(wǎng)開關S，逆變器立即以并聯(lián)控制技術運行，并保證本地關鍵負載以額定電壓值穩(wěn)定運行。

圖1 多機并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)Fig.1 Multiple grid-connected inverters system

2 有功調(diào)頻、無功調(diào)幅控制原理

文獻[22]指出，瞬時電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)控制的電壓型逆變器可以等效為一個受控電壓源與逆變器等效輸出阻抗相串聯(lián)，因此，多機逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的等效電路如圖 2 所示。圖中 ri+j Xi（i=1，2，…，n）為逆變器等效輸出阻抗與逆變器、電網(wǎng)之間線路阻抗之和。一般情況下為抑制并網(wǎng)電流的高次諧波，在逆變器和電網(wǎng)之間串接一個電感值較小的電感。令并聯(lián)母線的電壓為U∠0°，若系統(tǒng)處于并網(wǎng)狀態(tài)，則U∠0°即為電網(wǎng)電壓；若系統(tǒng)處于并聯(lián)狀態(tài)，則U∠0°即為各逆變器并聯(lián)后所得母線電壓。各逆變電源的輸出電壓為 USi∠φi（i=1，2，…，n），在逆變器并網(wǎng)或并聯(lián)穩(wěn)定運行時，USi接近于U，而φi一般都較小。

圖2 多機并網(wǎng)逆變器等效電路Fig.2 Equivalent circuit of multiple grid-connected inverters

圖3給出了單臺并網(wǎng)逆變器單位功率因數(shù)時電壓、電流的矢量圖。根據(jù)矢量圖中的關系，可以計算出逆變器輸出電壓所需的相位角和幅值，這就是傳統(tǒng)的間接電流型并網(wǎng)控制方法。下面通過不同的角度來描述圖2所示的多機并網(wǎng)逆變器等效電路。

圖3 單位功率因數(shù)時的矢量圖Fig.3 Vector diagram with unity power factor

根據(jù)圖2，得第i臺逆變器進網(wǎng)電流為：

則流進母線的視在功率大小為：

根據(jù)逆變器輸出阻抗的表達式[22]，在電流環(huán)積分參數(shù)較大時，逆變器等效輸出阻抗中阻性分量很小，且由于逆變器與母線間串接電感，可近似認為ri≈0。并網(wǎng)運行時，逆變器輸出電壓的相位與電網(wǎng)電壓相位差很小，可近似認為 sin φi≈φi，cos φi≈1，則有功和無功功率可表示為：

對式（3）進行微分，得：

在數(shù)值的大小上，相位差φi要遠小于幅值USi，所以式（5）可以近似為：

在時間t內(nèi)，逆變器和母線之間的相位差變化為：

將式（7）代入式（6），得：

同理對式（4）進行微分可得：

從式（8）和式（9）可以看出，不管逆變器處于并網(wǎng)狀態(tài)還是并聯(lián)狀態(tài)，都可以通過調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的頻率來調(diào)節(jié)逆變器輸出的有功功率，調(diào)節(jié)逆變器的幅值就可以調(diào)節(jié)逆變器輸出的無功功率。所不同的是，在并網(wǎng)狀態(tài)下，逆變器給定的功率基準是根據(jù)新能源最大功率點跟蹤（MPPT）算法得到的，除了保證本地負載供電以外，還將多余的能量送給電網(wǎng)；逆變器并聯(lián)運行時，在保證本地負載穩(wěn)定運行前提下，逆變器給定的功率基準是本地負載所消耗功率在各個逆變器模塊中的均分。

3 多機并網(wǎng)逆變器并聯(lián)/并網(wǎng)統(tǒng)一控制策略

基于以上理論分析，提出了一種新的基于有功調(diào)節(jié)逆變器頻率、無功調(diào)節(jié)逆變器幅值的多機并網(wǎng)逆變器并聯(lián)/并網(wǎng)統(tǒng)一控制策略。圖4為第i臺逆變器整體系統(tǒng)框圖，其他逆變器的主電路和控制框圖都與圖4一致。

圖4 多機并網(wǎng)逆變器并聯(lián)/并網(wǎng)統(tǒng)一控制策略框圖Fig.4 Unified control strategy of multiple inverters for grid-connected and parallel operating modes

圖4中，在逆變器在切入并聯(lián)母線之前，首先通過孤島檢測保護檢測電網(wǎng)是否正常工作，如果電網(wǎng)正常，則閉合并網(wǎng)開關S，每一臺逆變器通過鎖相環(huán)跟蹤上電網(wǎng)的相位后，閉合各自的切入開關Si并網(wǎng)運行，逆變器運行于并網(wǎng)控制狀態(tài)；如果電網(wǎng)故障，系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)，并網(wǎng)開關S斷開，此時每一臺逆變器都檢測并聯(lián)母線電壓，如果并聯(lián)母線無電壓，則逆變器直接閉合切入開關Si，一旦有一臺逆變器并入母線，則其他逆變器模塊都要向母線鎖相后再并入母線實現(xiàn)逆變器并聯(lián)，逆變器運行于并聯(lián)狀態(tài)。逆變器并聯(lián)或并網(wǎng)運行的判斷流程如圖5所示。

圖5 并聯(lián)/并網(wǎng)運行判斷流程Fig.5 Flowchart of grid-connected/parallel mode selection

由并聯(lián)母線電壓和逆變器輸出電流計算出逆變器輸出的有功功率Pi和無功功率Qi，將這2個量分別作為有功功率閉環(huán)和無功功率閉環(huán)的反饋量，這2個功率閉環(huán)的基準在并聯(lián)和并網(wǎng)時如式（10）和式（11）所示。

式（10）和式（11）中，PMi為新能源 MPPT 得到的最大功率值；而QMi為根據(jù)需要設定的無功值，一般情況下為0。并聯(lián)運行時，功率基準值即為各個逆變器模塊產(chǎn)生的功率和的平均值，其他模塊所發(fā)出的有功功率和無功功率通過通信線獲得。

根據(jù)式（8）和式（9）可知有功功率閉環(huán)和無功功率閉環(huán)輸出的量為需要調(diào)節(jié)的頻率差Δf和幅值差ΔU，將它們分別與基準頻率值和基準幅值相加，并聯(lián)和并網(wǎng)時，基準頻率和幅值分別為：

其中，fG和UG分別為電網(wǎng)電壓的頻率和幅值。式（10）—（13）的切換是通過孤島檢測信號決定的，發(fā)生孤島時，逆變器運行于并聯(lián)狀態(tài)。

將得到的頻率值f和幅值U合成一正弦波，作為逆變器的基準電壓，為使逆變器具有較快的動態(tài)特性和較好的波形質(zhì)量，逆變器采用電感電流瞬時值內(nèi)環(huán)、輸出電壓外環(huán)的控制方式。由于有功功率閉環(huán)和無功功率閉環(huán)的基準為直流量，因此并網(wǎng)時逆變器的輸出功率可以實現(xiàn)無靜差跟蹤，并聯(lián)時逆變器可以很好地均分負載電流。

逆變器在并聯(lián)和并網(wǎng)狀態(tài)時的整套控制系統(tǒng)是統(tǒng)一的，區(qū)別僅在于功率、頻率和幅值的基準值不一致，它們通過孤島檢測信號進行切換。本系統(tǒng)的控制全部在DSP中實現(xiàn)。

4 控制策略內(nèi)在的反孤島能力

根據(jù)圖4中所采用的多機逆變器的并聯(lián)/并網(wǎng)統(tǒng)一控制策略，合成逆變器基準電壓的頻率和幅值的表達式分別為：

其中，kpf、kpU、kif和 kiU分別是有功功率閉環(huán)和無功功率閉環(huán)的比例系數(shù)和積分系數(shù)；PMi和QMi是基準功率值，正常情況下這2個值在短時間內(nèi)保持不變；Pik和Qik分別是第k個工頻周期內(nèi)逆變器輸出的有功功率和無功功率；fGk和UGk分別是檢測到的并聯(lián)母線上電壓的頻率和幅值；fk+1和Uk+1分別是逆變器在第k+1個工頻周期內(nèi)基準電壓的頻率和幅值。

電網(wǎng)正常時，fGk和UGk為電網(wǎng)電壓的頻率和幅值，此時 P/f（ω）以及 Q／U 滿足式（8）和式（9）的數(shù)學關系，有功功率閉環(huán)改變逆變器輸出電壓的頻率并與電網(wǎng)電壓頻率相等，并使其相位緊跟電網(wǎng)電壓相位；無功功率閉環(huán)調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的幅值，使其幅值穩(wěn)定在某一固定值。

電網(wǎng)發(fā)生故障，可以從本地負載的功率因數(shù)cos φL的情況不同來說明：若 φL≠0，則可以檢測出逆變器的輸出電流和電網(wǎng)側的電壓相位差不為0，可檢測出孤島發(fā)生；若φL=0，則逆變器輸出電流與電網(wǎng)側電壓相位差繼續(xù)為0，從相位的角度不能判斷孤島是否發(fā)生。

當φL=0、電網(wǎng)故障時，因為逆變器屬于電壓控制型，逆變器基準電壓未發(fā)生突變，其輸出電壓未發(fā)生變化，但逆變器輸出功率卻因電網(wǎng)故障發(fā)生了變化。此時檢測得到母線電壓的fGk即為逆變器并聯(lián)以后的等效頻率，即近似等于逆變器的輸出電壓頻率，那么式（14）變?yōu)椋?/p>

可以看出，當并網(wǎng)時的基準功率PMi大于本地負載吸收的有功功率功率 PL（PMi＞PL）時，檢測到電網(wǎng)側的電壓頻率持續(xù)變大；當PMi＜PL時，檢測到電網(wǎng)側的電壓頻率持續(xù)變小。只要檢測出頻率超出文獻[23]所規(guī)定的范圍，就可以認為電網(wǎng)出現(xiàn)故障，切斷并網(wǎng)開關S，實現(xiàn)孤島保護。當頻率值超出規(guī)定限度時，判斷孤島發(fā)生。

當φL=0且PMi=PL時，本文所提控制策略不能檢測出孤島情況的發(fā)生，但這種情況發(fā)生的幾率極小，可以結合其他孤島檢測方法[24]來檢測。因此本控制策略孤島檢測的盲區(qū)極小。

5 仿真和實驗驗證

根據(jù)本文所提的控制方案，用MATLAB7.1仿真軟件建立了2臺全橋單相逆變器的仿真模型，對照圖4系統(tǒng)整體框圖，仿真參數(shù)如下：電感Li1=2.4 mH，電感 Li2=1 mH，電容 Ci=20 μF，本地負載 20 Ω，三角載波幅值12 V，輸入直流電壓UDC=400 V，開關頻率fSW=10 kHz，有功功率基準PMi=3000 W，無功功率基準QMi=0 var，有功功率環(huán)PI參數(shù)0.001+0.01/s，無功功率環(huán)PI參數(shù)0.000 12+0.001 5/s，瞬時電壓環(huán)PI參數(shù)0.5+2 500/s，瞬時電壓環(huán)反饋系數(shù)k1=0.0257，瞬時電流環(huán)P參數(shù)為4，瞬時電流環(huán)反饋系數(shù)k2=0.2。

圖6為單臺逆變器在靜態(tài)和動態(tài)情況下的電流波形，可以看出，穩(wěn)態(tài)時，逆變器輸出電流和電網(wǎng)電壓的相位保持一致；在功率基準突變時，逆變器的輸出電流調(diào)節(jié)大約需要10個周期的時間，這也是間接電流控制策略的一個缺點。

圖6 并網(wǎng)時電流仿真波形Fig.6 Simulative current waveforms in grid-connected mode

圖7 系統(tǒng)并網(wǎng)向并聯(lián)切換過程波形Fig.7 Simulative waveforms during transition from grid-connected mode to parallel mode

圖7給出了2臺逆變器在由并網(wǎng)向并聯(lián)切換的動態(tài)過程。電網(wǎng)在0.4 s時發(fā)生故障，在0.5 s處檢測到孤島存在。圖7（a）給出了2臺逆變器基準正弦波合成的頻率和幅值的調(diào)節(jié)過程，可以看出逆變器在并網(wǎng)時，逆變器單元的頻率和幅值在初始值不一致的情況下能相互趨近；電網(wǎng)發(fā)生故障時，逆變器輸出電壓的頻率和幅值也沒有發(fā)生太大的變化。圖7（b）為逆變器輸出功率以及功率基準波形，電網(wǎng)故障以前，逆變器的輸出功率已經(jīng)跟蹤上基準電壓；電網(wǎng)檢測到孤島發(fā)生時，逆變器的功率基準變?yōu)?臺逆變器輸出功率的平均值，此后逆變器實現(xiàn)并聯(lián)控制運行。圖7（c）為逆變器輸出電流波形，電網(wǎng)故障時，系統(tǒng)能自動根據(jù)本地負載的大小實現(xiàn)逆變器輸出電流的減小，并在逆變器并聯(lián)控制運行后實現(xiàn)對本地負載電流的均分。圖7（d）為逆變器在電網(wǎng)故障發(fā)生時刻（0.4 s）的并聯(lián)母線電壓以及單臺逆變器輸出電流波形，可以看出，負載上電壓平穩(wěn)過渡，沒有對負載造成沖擊，這也是間接電流控制型并網(wǎng)逆變器在模式切換過程中相對于直接電流控制型的一個優(yōu)點。

為了驗證該控制策略理論分析的正確性，研制了2臺基于TMS320LF2407A的并網(wǎng)逆變器，容量均為1 kV·A，其余電路參數(shù)和控制參數(shù)與仿真參數(shù)相同，2臺DSP之間通過CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。圖8為單臺逆變器處于獨立運行狀態(tài)和并網(wǎng)狀態(tài)時的電壓和電流波形?？梢钥闯?，在并網(wǎng)逆變器獨立運行模式時，由于采用了瞬時雙環(huán)的控制策略，逆變器輸出電壓的正弦性好，THD值很低；在逆變器處于并網(wǎng)狀態(tài)時，由于電網(wǎng)電壓含有低次諧波，逆變器輸出電流含有一定的低次諧波，THD值稍高，但仍滿足文獻[23]規(guī)定的小于5%的要求。

圖8 單臺逆變器運行波形Fig.8 Waveforms of single inverter in operation

圖9為2臺逆變器處于并網(wǎng)運行和并聯(lián)運行時的波形。圖9（a）和（b）分別為2臺逆變器并網(wǎng)運行，突加和突卸有功功率基準時電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電流的波形，可以看出系統(tǒng)穩(wěn)定運行，但是由于間接電流控制型的固有缺點，其動態(tài)性能較差。圖9（c）為2臺逆變器處于并聯(lián)運行時兩者的輸出電流波形，2臺逆變器能夠較好地均分本地負載。采用統(tǒng)一控制策略的逆變器處于并聯(lián)和并網(wǎng)運行時，都能夠穩(wěn)定運行。

圖9 多機逆變器并聯(lián)/并網(wǎng)運行波形Fig.9 Waveforms of multiple inverters in grid-connected/parallel operating mode

6 結論

本文分析了多機并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)，提出了一種新型的多機并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)/獨立（并聯(lián)）統(tǒng)一控制策略：

a.調(diào)節(jié)并網(wǎng)逆變器輸出電壓的相位能調(diào)節(jié)逆變器輸出的有功功率；

b.調(diào)節(jié)并網(wǎng)逆變器輸出電壓的幅值能調(diào)節(jié)逆變器輸出的無功功率；

c.引入有功功率閉環(huán)和無功功率閉環(huán)分別調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的頻率和幅值，保證逆變器輸出功率實現(xiàn)無靜差跟蹤；

d.所提控制策略有其內(nèi)在的反孤島能力；

e.逆變器并網(wǎng)控制時和并聯(lián)控制時，僅功率、頻率和幅值的基準值不一致，控制策略一樣，保證了孤島發(fā)生時，本地負載不受沖擊。

仿真和實驗結果表明，所提多機并網(wǎng)逆變器統(tǒng)一控制策略具有優(yōu)良的性能。