微網(wǎng)逆變器平滑切換控制

李兵+張軍

摘 要：逆變器的平滑切換控制作為微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件，研究逆變器合適的控制方法十分重要。本文在分析逆變器不同運(yùn)行模式控制策略結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用基于外環(huán)輸出狀態(tài)跟隨和預(yù)同步控制的方法實(shí)現(xiàn)逆變器輸出在切換前后的平滑切換方法，最后在仿真平臺(tái)對(duì)所提策略進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提策略的有效性。

關(guān)鍵詞：逆變器；平滑切換；狀態(tài)跟隨；預(yù)同步

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.021

0 引言

微電網(wǎng)由于具有可以獨(dú)立運(yùn)行、靈活切換運(yùn)行模式的優(yōu)點(diǎn)，可以作為配電網(wǎng)的有效補(bǔ)充。微電網(wǎng)可以覆蓋配電網(wǎng)供電經(jīng)濟(jì)性差的地區(qū)，如偏遠(yuǎn)山區(qū)、島嶼等，若這類地區(qū)由配電網(wǎng)供電往往由于架線等成本太高而得不償失，而微電網(wǎng)可以為此類用戶提供相對(duì)經(jīng)濟(jì)且高效的供電。微電網(wǎng)穩(wěn)定高效運(yùn)行要求具有良好的控制系統(tǒng)控制微電網(wǎng)的合理運(yùn)行。由于微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源的特點(diǎn)，對(duì)于微電網(wǎng)的控制往往是通過(guò)逆變器進(jìn)行，因而許多學(xué)者對(duì)微電網(wǎng)逆變器的控制策略展開(kāi)了研究。文獻(xiàn)[1]對(duì)分布式電源逆變器雙環(huán)控制策略進(jìn)行了研究，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討；文獻(xiàn)[2]對(duì)微電網(wǎng)逆變器的多換反饋控制策略進(jìn)行了研究，提出利用下垂特性設(shè)計(jì)外環(huán)功率控制器，實(shí)現(xiàn)逆變器間的通信控制。

逆變器控制策略的平滑切換是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)靈活切換運(yùn)行模式的重要條件。文獻(xiàn)[3]通過(guò)基于雙環(huán)控制的反饋控制器，通過(guò)改進(jìn)下垂控制和PQ控制實(shí)現(xiàn)主從控制微電網(wǎng)電壓、頻率的平滑控制；文獻(xiàn)[4]采用分區(qū)控制結(jié)合主電源的雙環(huán)控制方式對(duì)微電網(wǎng)從并網(wǎng)模式切換至孤島運(yùn)行進(jìn)行研究，最終實(shí)現(xiàn)了平滑切換的目標(biāo)；文獻(xiàn)[5]提出一種新型鎖相環(huán)減少主從微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換帶來(lái)的振蕩，實(shí)現(xiàn)了平滑切換控制；文獻(xiàn)[6]基于能量守恒原理改進(jìn)電壓環(huán)調(diào)節(jié)器來(lái)抑制并網(wǎng)向孤島切換過(guò)程的振蕩；文獻(xiàn)[7]通過(guò)在常規(guī)切換的基礎(chǔ)上加入PI控制器進(jìn)行跟隨的方法減小切換過(guò)程中控制器外環(huán)輸出的突變，從而減小波動(dòng)實(shí)現(xiàn)平滑切換。

本文以主從型微電網(wǎng)主電源逆變器為對(duì)象，對(duì)其平滑切換控制策略進(jìn)行研究，提出基于同步跟隨和預(yù)同步的逆變器平滑切換控制策略，并通過(guò)仿真驗(yàn)證其有效性。

1 逆變器并網(wǎng)結(jié)構(gòu)及控制策略

逆變器并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由逆變器、濾波器及線路阻抗三部分組成。其中角標(biāo)i=a、b、c，代表a，b，c相關(guān)電量；Ui、Ii表示逆變器出口電壓、電流；Uoi表示逆變器經(jīng)濾波器濾波后的輸出電壓；Ioi代表逆變器經(jīng)濾波器后的出口電流；U?i為逆變器接入交流母線端口電壓； L?代表線路電感，R為線路電阻。

1.1 并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)逆變器控制策略

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，配電網(wǎng)可以為微電網(wǎng)提供電壓和頻率基準(zhǔn)，因此逆變器控制可以配電網(wǎng)的U、f為基準(zhǔn)，此時(shí)分布式電源逆變器均采用PQ雙環(huán)控制策略。

1.2 孤島運(yùn)行時(shí)逆變器控制策略

孤島運(yùn)行時(shí)，逆變器目前普遍采用的控制方法包含下垂控制和U/f控制。下垂控制是依靠電壓、頻率的差值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功功率、有功功率的控制，是一種調(diào)差控制，因此下垂控制適合于多臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的控制。本文采用蓄電池作為主電源，為此其逆變器采用U/f控制策略。

2 逆變器控制策略切換

主從型微電網(wǎng)在運(yùn)行模式切換時(shí)，從電源逆變器控制保持PQ控制策略不變，主電源逆變器控制策略則需要隨著運(yùn)行模式的改變而進(jìn)行切換。因此，逆變器的切換包含：微電網(wǎng)運(yùn)行模式由并網(wǎng)切換至孤島，逆變器相應(yīng)的由PQ控制切換為U/f控制；微電網(wǎng)由孤島切換至并網(wǎng)，逆變器重新切換至并網(wǎng)運(yùn)行。

2.1 并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島時(shí)逆變器平滑切換控制

由前述分析可知，主電源逆變器在微電網(wǎng)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行時(shí)需要由PQ控制切換為U/f控制。在主電源逆變器進(jìn)行模式切換時(shí)，由于外環(huán)生成的dq軸參考電流Idref、Iqref不同，若直接切換，因二者之間存在差值將導(dǎo)致電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出項(xiàng)突變，引起逆變器的輸出突變。

針對(duì)于此，本文提出一種基于U/f外環(huán)控制輸出對(duì)PQ控制外環(huán)輸出進(jìn)行狀態(tài)跟隨的逆變器輸出平滑切換控制策略，以d軸狀態(tài)跟隨控制為例。

其中微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)開(kāi)關(guān)K1在導(dǎo)通，K2斷開(kāi)。K3導(dǎo)通1通道；孤島運(yùn)行時(shí)，K1斷開(kāi)，K2導(dǎo)通，K3導(dǎo)通2通道。逆變器控制策略由PQ切換至U/f時(shí)，由于U/f控制外環(huán)輸出已對(duì)PQ控制外環(huán)進(jìn)行了狀態(tài)跟隨，逆變器輸出將會(huì)平滑過(guò)渡。

2.2 孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)時(shí)逆變器平滑切換

孤島運(yùn)行時(shí)，主電源逆變器為其它分布式電源提供電壓、頻率基準(zhǔn)。微電網(wǎng)重新并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為確保并網(wǎng)不對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行造成大沖擊，主電源逆變器并網(wǎng)前輸出的電壓幅值、頻率及相位必須與配電網(wǎng)保持一致，為此需對(duì)其輸出進(jìn)行預(yù)同步控制，以滿足并網(wǎng)條件。

本文采用如圖5所示的逆變器預(yù)同步控制策略。通過(guò)以電網(wǎng)的實(shí)際值對(duì)主電源逆變器的輸出進(jìn)行預(yù)同步。Ugd、Ugq代表配電網(wǎng)低壓側(cè)電壓幅值的d、q軸分量，Ud、Uq為微電網(wǎng)電壓幅值的d、q軸分量。Udref-1、Uqref-1代表經(jīng)過(guò)預(yù)同步控制后生成的電壓參考值。在微電網(wǎng)與配電網(wǎng)電壓之間存在差值時(shí)能不斷地對(duì)微電網(wǎng)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)至二者相等，完成電壓幅值的同步。

3 仿真及分析

本文在MATLAB/Simulink平臺(tái)上搭建主從微電網(wǎng)逆變器模型。

負(fù)數(shù)代表消耗功率。微電網(wǎng)運(yùn)行的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，其中重新并網(wǎng)后由配電網(wǎng)提供功率缺額，蓄電池不再輸出功率。

3.1 逆變器由PQ切換至U/f控制仿真及分析

微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，主電源逆變器處于PQ控制狀態(tài)；孤島運(yùn)行時(shí)，主電源蓄電池逆變器處于U/f控制狀態(tài)。

主電源蓄電池切換過(guò)程輸出功率和電流的變化曲線，蓄電池輸出功率在切換后也僅僅出現(xiàn)非常小的超調(diào)量，并且迅速響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，輸出有功功率9kW，無(wú)功功率4kVar，及時(shí)填補(bǔ)了微電網(wǎng)功率缺額；蓄電池輸出電流在切換瞬間平滑過(guò)渡到新的輸出電流。由此可以看出，該策略能順利實(shí)現(xiàn)蓄電池逆變器輸出的平滑過(guò)渡，完成控制策略切換。

3.2 重新并網(wǎng)運(yùn)行仿真及分析

蓄電池逆變器輸出功率和電流在并網(wǎng)前后的變化曲線。重新并網(wǎng)后，由于配電網(wǎng)及時(shí)補(bǔ)充微網(wǎng)中的功率缺額，蓄電池逆變器不再輸出功率；由于對(duì)逆變器輸出進(jìn)行了預(yù)同步，并網(wǎng)瞬間蓄電池逆變器出口交流母線電壓頻率僅有0.15 Hz左右的波動(dòng)，波動(dòng)非常小，順利完成了切換。

4 結(jié)論

逆變器輸出的平滑切換是微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換的基礎(chǔ)。從仿真結(jié)果看，本文所提的基于外環(huán)控制輸出狀態(tài)跟隨和預(yù)同步控制策略有效地實(shí)現(xiàn)了逆變器輸出在切換瞬間波動(dòng)小，達(dá)到了平滑切換的目標(biāo)。

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