引入自適應(yīng)阻抗的逆變器并聯(lián)控制技術(shù)

魏桂林， 胥 飛， 施必劍， 郭 幸

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 201306)

隨著全世界化石能源的逐漸枯竭和各國(guó)政府越來(lái)越重視環(huán)境保護(hù)，新能源技術(shù)得到了前所未有的關(guān)注和發(fā)展。逆變器模塊作為解決新能源并網(wǎng)的關(guān)鍵裝備，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷深入研究也變得越來(lái)越成熟。當(dāng)今逆變器的應(yīng)用慢慢利于高可靠性、大功率傳輸?shù)刃袠I(yè)，而目前受限于電力電子器件的發(fā)展進(jìn)程，在大功率逆變器應(yīng)用的場(chǎng)合，大多利用逆變器并聯(lián)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)新能源發(fā)電裝置的大功率并網(wǎng)，考慮到交流電能的電壓幅值、頻率與相位等問(wèn)題，逆變器并聯(lián)控制技術(shù)也成為電力電子研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)[1]。為了使逆變器運(yùn)行時(shí)更加安全和高效，解決逆變器運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)間的環(huán)流帶來(lái)的問(wèn)題，有學(xué)者提出了虛擬阻抗的概念[2]。在傳統(tǒng)的下垂控制[3]下，有功功率和頻率，無(wú)功功率和電壓幅值一般被認(rèn)為具有比例的關(guān)系[4]。然而，在實(shí)際電路中，由于逆變器的輸出電壓和輸出阻抗以及線路阻抗之間的差異，逆變器之間可能會(huì)產(chǎn)生電流環(huán)流，環(huán)流會(huì)對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行和電氣設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生危害[5]。有文章提出通過(guò)設(shè)計(jì)雙閉環(huán)的控制參數(shù)[6]，將輸出阻抗與線路阻抗進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)功率均分。也有提出改變下垂系數(shù)解決功率問(wèn)題的[7]，但是未考慮到線路阻抗的差異帶來(lái)的影響。綜上所述，本文考慮到逆變器輸出電壓中可能會(huì)包含直流分量[8]，而電壓的直流分量又會(huì)產(chǎn)生直流的電流環(huán)流。通過(guò)對(duì)逆變器的電流反饋控制環(huán)的設(shè)計(jì)來(lái)對(duì)逆變器環(huán)流中的直流電流輸出進(jìn)行抑制，同樣對(duì)于輸出相位差別不大的交流電流也具有一定的抑制作用。

1 傳統(tǒng)下垂控制的研究和分析

1.1 下垂控制原理

下垂控制策略是基于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的頻率調(diào)節(jié)特性曲線。當(dāng)采用該控制策略時(shí)，每個(gè)微電源的有效輸出P與頻率f、無(wú)功輸出Q與電壓U線性相關(guān)。因此微電網(wǎng)中各微電源之間可以不通過(guò)通信系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)，減少了設(shè)備的維護(hù)成本，微電網(wǎng)系統(tǒng)中的不平衡功率由各微電源共同承擔(dān)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此即使在孤島運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的頻率仍然是相對(duì)穩(wěn)定的[9]。

下垂控制通常有兩種控制方式，測(cè)量頻率和電壓幅值的方式，或者是測(cè)量有功功率和無(wú)功功率的方式應(yīng)用于對(duì)分布式電源的控制。但一般情況下，由于各微電源的濾波器和變壓器以及考慮到微電網(wǎng)自身的線路環(huán)境，用于測(cè)量有功功率和無(wú)功功率的下垂控制策略更加穩(wěn)定和適用。根據(jù)上述原理，下圖1所示的控制策略是在d-q坐標(biāo)系中設(shè)計(jì)的。外環(huán)是用PI控制器的電壓控制回路，其主要作用是穩(wěn)定逆變器輸出端口的電壓；內(nèi)環(huán)為采用比例控制器的電流控制環(huán)，目的是增強(qiáng)適應(yīng)能力，降低輸出電流中的諧波含量，提高各微電源的控制性能。

1.2 下垂控制技術(shù)研究

對(duì)接入微網(wǎng)的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行潮流分析，等效電路如圖2示。在圖2中，U0∠α為逆變器的輸出電壓，P為輸出有功功率，Q為輸出無(wú)功功率，jX和R為線路阻抗。

圖1 Droop控制策略原理圖

圖2 逆變器與微網(wǎng)連接等效電路

(1)

(2)

式中：E為交流側(cè)母線電壓幅值，α為逆變器輸出電壓與母線電壓之間的相位差，將上面公式進(jìn)一步簡(jiǎn)化，考慮到線路感性成分較大，于是電阻R的影響忽略不計(jì)。

(3)

(4)

由于通常功率角α較小，可以視為sinα=α，cosα=1。以上公式可簡(jiǎn)化為

(5)

(6)

從上述公式可以看出，逆變器輸出有功功率與相位差α正相關(guān)，并且無(wú)功功率與有壓幅值差U0-E近似呈正相關(guān)。因此能得到有功-頻率(P-f)、無(wú)功-幅值(Q-v)下垂控制[10]，即：

f-fN=m(PN-P)

(7)

Uo-UN=n(QN-Q)

(8)

式中：m和n為逆變器(這里將兩個(gè)逆變器視為理想狀態(tài)下的一模一樣)的下垂系數(shù)，下垂系數(shù)一致;UN是逆變器的額定電壓;fN是逆變器的額定頻率;PN是逆變器的額定輸出有功功率;QN是逆變器的額定輸出無(wú)功功率。

下垂控制框圖如圖3所示。

圖3 下垂控制器框圖

2 逆變器并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流分析

2.1 環(huán)流分析

在實(shí)際電路系統(tǒng)中，由于逆變器本身的負(fù)載無(wú)法保持一致，逆變器輸出電壓中較小的直流分量即會(huì)引起較大的直流分量。直流電流分量也會(huì)使負(fù)載中磁性原件產(chǎn)生偏磁甚至磁飽和，因此必須對(duì)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中的直流環(huán)流及輸出直流分量進(jìn)行抑制。

圖4 兩個(gè)逆變器的并聯(lián)等效電路圖

因?yàn)槟孀兤鞯妮敵鲭妷褐泻兄绷鞣至?/p>

(9)

此時(shí)負(fù)載的電壓值為

(10)

逆變器的輸出電流為

(11)

根據(jù)環(huán)流的定義[11]，得出

(12)

將式(11)代入式(12)中則可得

(13)

在低壓電路中，線路阻抗大體被認(rèn)為是純阻性的。從推導(dǎo)式可以看出，在逆變器的并聯(lián)運(yùn)行中，輸出電流包含直流分量和交流分量。當(dāng)直流和交流分量不同的時(shí)候，會(huì)向負(fù)載中注入直流分量從而影響正常工作。

2.2 環(huán)流解決方案

逆變器并聯(lián)研究中為了實(shí)現(xiàn)逆變器的均流[12]，最關(guān)鍵的就是負(fù)載的均分。控制均流的常用方法為有功無(wú)功法、限流電感法、外特性下垂法[13]和電流自動(dòng)均流法等。

由于輸出電流中包含DC和AC分量。解決交流分量的首要問(wèn)題就是其相位角的問(wèn)題，當(dāng)逆變器自身的阻抗抗性相差太多時(shí)，輸出的電流相位也會(huì)有偏差，通過(guò)引入虛擬阻抗可以改變輸出電壓和電流的相位。在下垂控制的研究中，虛擬阻抗已趨于成熟在此不過(guò)多闡述。在引入虛擬阻抗改變了逆變器的阻抗后，環(huán)流的產(chǎn)生主要在于輸出電流的幅值差異，可以通過(guò)瞬時(shí)平均反饋電流技術(shù)來(lái)解決。

本文主要研究的是基于負(fù)載為純阻抗條件下的逆變器的瞬時(shí)平均電流反饋的環(huán)流抑制策略[14]。通過(guò)加大逆變器之間的輸出阻抗[15]從而減小逆變器間阻抗的差異以此達(dá)到環(huán)流的抑制效果，減小環(huán)流的影響和改善逆變器的輸出電壓質(zhì)量。并且瞬時(shí)平均反饋電流的控制技術(shù)與引入虛擬阻抗不同，不會(huì)帶來(lái)逆變器的輸出電壓壓降，但是這種方法也有自身的缺點(diǎn)，即輸出電壓和電流相位差別較大時(shí)電流反饋調(diào)節(jié)無(wú)法改善逆變器間的環(huán)流問(wèn)題。

3 控制環(huán)的設(shè)計(jì)和阻抗分析

逆變器的控制框圖設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 基于瞬時(shí)平均電流反饋的逆變器控制框圖

得出逆變器的戴維南公式定理為

(14)

由環(huán)流推導(dǎo)公式得出，環(huán)流的表達(dá)式為

(15)

推導(dǎo)出逆變器的等效阻抗[16]為

(16)

式中：Zon(s)為改進(jìn)后的逆變器等效輸出；L為逆變器的濾波電感；r為電感附加電阻；kcp,kvp,kvi為電壓電流雙閉環(huán)的PI控制參數(shù)；Udc為逆變器直流側(cè)電壓。獲得負(fù)載電壓的電壓表達(dá)式，并省略簡(jiǎn)化過(guò)程為

(17)

由式(16)可以看出，逆變器之間的等效阻抗變?yōu)?/p>

(18)

可以通過(guò)改變反饋系數(shù)來(lái)增加理想狀態(tài)下兩個(gè)逆變器間的等效阻抗，當(dāng)逆變器間的等效阻抗增大時(shí)，通過(guò)上面的戴維南公式可以清楚地看出并不會(huì)影響逆變器的輸出電壓質(zhì)量，而同時(shí)等效阻抗的增大可以減小逆變器阻抗差異帶來(lái)的環(huán)流影響。如果逆變器之間的阻抗抗性差異很大的話，可以先通過(guò)引入虛擬阻抗來(lái)改變逆變器的輸出阻抗抗性，具體情況視逆變器阻抗和線路抗性而定。

4 仿真分析

兩個(gè)逆變器的參數(shù)分別為0.025+j0.01、0.035+j0.04。在Matlab/Simulink中搭建逆變器的仿真模型。

(1)kα=0，即沒(méi)有反饋電流時(shí)，逆變器輸出端電壓波形和輸出電流波形如圖6所示，環(huán)流圖如圖7所示。

(2)kα=5時(shí)，逆變器輸出端電壓波形和輸出電流波形如圖8所示，環(huán)流圖如圖9所示。

通過(guò)對(duì)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流分析，分別得到了環(huán)流分量中的直流環(huán)流分量與交流環(huán)流分量，并分析各環(huán)流形成的原因。再引入瞬時(shí)平均電流反饋控制策略，該控制方法有它的局限性，即增大的等效阻抗難以調(diào)節(jié)它的阻抗相位，當(dāng)逆變器間的阻抗差異較大時(shí)對(duì)交流環(huán)流分量的抑制效果較差，需要引入虛擬阻抗先來(lái)改變兩個(gè)逆變器間的阻抗抗性。單純地引入虛擬阻抗來(lái)抑制環(huán)流，較大的虛擬阻抗的引入會(huì)帶來(lái)逆變器輸出電壓的壓降。而該控制方法則是通過(guò)增大逆變器間的等效阻抗來(lái)減小阻抗差異帶來(lái)的影響，便于調(diào)節(jié)且不會(huì)影響輸出的電壓質(zhì)量，可以從上面的仿真圖中清晰地看出對(duì)環(huán)流的抑制效果。

(a) 輸出電壓

(b) 逆變器1輸出電流

(c) 逆變器2輸出電流

圖7 kα=0時(shí)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流波形

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要對(duì)逆變器并聯(lián)控制中的環(huán)流抑制進(jìn)行了研究，對(duì)環(huán)流的組成部分和形成原因進(jìn)行了分析。引入了瞬時(shí)平均電流反饋控制策略，仿真分析得出對(duì)輸出阻抗大體呈阻性的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)有較好的適用性，對(duì)輸出阻抗相位相差較大時(shí)，該方法有其局限性需要引入虛擬阻抗先改善逆變器間的阻抗差異?？傮w來(lái)說(shuō)該方法簡(jiǎn)單方便有其適用性。

(a) 輸出電壓

(b) 逆變器1輸出電流

(c) 逆變器2輸出電流

圖9 kα=5時(shí)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流波形