孤島運(yùn)行的交流微電網(wǎng)中多逆變器諧振分析

王亞楠　晏鵬博

摘 要：針對(duì)孤島運(yùn)行的交流微電網(wǎng)中PQ控制和VF控制逆變器，分別建立輸出阻抗模型并進(jìn)行諧振分析。定性分析PQ控制逆變器的濾波器參數(shù)和并聯(lián)臺(tái)數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)諧振的影響。根據(jù)諧波源所在位置不同，分別得到阻抗網(wǎng)絡(luò)中各支路電流和節(jié)點(diǎn)電壓與諧波源的表達(dá)式。

關(guān)鍵詞：逆變器建模;多逆變器;諧振分析;交流微電網(wǎng);孤島運(yùn)行

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.112

1 引言

在多逆變器系統(tǒng)環(huán)境中，逆變器及其濾波器可等效為高階電網(wǎng)絡(luò)，在某一頻率的諧波作用下，可能會(huì)與負(fù)載、線路等阻抗發(fā)生諧振，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及到微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

本文對(duì)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，采用的PQ和VF控制逆變器建立輸出阻抗模型，分別對(duì)單臺(tái)PQ和VF控制逆變器諧振分析。對(duì)多臺(tái)PQ控制逆變器諧振分析，得到LCL濾波器參數(shù)和并聯(lián)臺(tái)數(shù)分別對(duì)PQ控制逆變器輸出阻抗的影響。對(duì)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下的多逆變器諧振分析，根據(jù)諧波源所在位置不同，分析各支路電流和節(jié)點(diǎn)電壓與諧波源的關(guān)系。

2 逆變器輸出阻抗模型

LCL型濾波器的三相逆變器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中Udc為直流母線電壓，Uia、Uib、Uic為逆變器橋臂輸出電壓，Uca、Ucb、Ucc為電容電壓，Uoa、Uob、Uoc為逆變器輸出電壓，iLa、iLb、iLc為逆變器側(cè)電感電流，ica、icb、icc為電感電流，ioa、iob、ioc為逆變器輸出電流，本文采用的控制方法分別為VF控制和PQ控制。

2.1 多臺(tái)PQ控制逆變器并聯(lián)輸出阻抗模型

在交流微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，存在多個(gè)PQ控制逆變器并聯(lián)的工況。假設(shè)n臺(tái)PQ控制逆變器的參數(shù)均相同，且各個(gè)逆變器之間的線路阻抗ZX也均相同，n臺(tái)PQ控制逆變器的輸出阻抗模型如圖2所示。

2.2 VF控制逆變器輸出阻抗模型

VF控制逆變器的控制方法采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)是電壓頻率環(huán)，用于支撐交流母線的電壓頻率，內(nèi)環(huán)采用電流內(nèi)環(huán)以增加快速性?；?jiǎn)得到逆變器d軸輸出阻抗模型如圖3所示。

3 多逆變器諧振分析

本文針對(duì)交流微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行模式時(shí)，以d軸的阻抗模型為例，對(duì)多臺(tái)PQ控制逆變器和VF控制逆變器構(gòu)成的多逆變器系統(tǒng)進(jìn)行諧振分析。PQ控制逆變器參數(shù)如表1所示，VF控制逆變器參數(shù)如表2所示。

3.1 多臺(tái)PQ控制逆變器諧振分析

隨著逆變器并聯(lián)臺(tái)數(shù)n的變化，網(wǎng)絡(luò)的阻抗會(huì)發(fā)生變化。假設(shè)n臺(tái)PQ控制逆變器的參數(shù)相同，在n取值2、5和10時(shí)，阻抗伯德圖如圖4所示。隨著并聯(lián)臺(tái)數(shù)的增加，阻抗曲線平行下移，正向尖峰值和阻抗最小值均減小，但對(duì)應(yīng)的頻率均不變。

3.2 VF控制逆變器諧振分析

根據(jù)單臺(tái)VF控制逆變器的d軸輸出阻抗模型，假設(shè)線路阻抗與PQ控制逆變器相同，總阻抗伯德圖如圖5所示，從圖中可以看出，網(wǎng)絡(luò)的阻抗值隨著頻率的增大而增大。

3.3 多逆變器系統(tǒng)諧振分析

交流微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行模式時(shí)，需要一臺(tái)VF控制逆變器和多臺(tái)PQ控制逆變器并聯(lián)在交流母線上，分別作為電壓頻率和功率的支撐。形成的多逆變系統(tǒng)環(huán)境，如圖6所示，其中Zload為負(fù)載。

當(dāng)諧波源在等效為電壓源的VF控制逆變器側(cè)，由基爾霍夫電壓電流定律可以得到阻抗網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓U1 和U2與諧波電壓Uh的關(guān)系，如（1）和（2）。通過(guò)G1，G2伯德圖分析，在某一頻率G1和G2值達(dá)到最大時(shí)，對(duì)該頻率的諧波的放大倍數(shù)最大。

當(dāng)諧波源在等效為電流源的PQ控制逆變器側(cè)，由基爾霍夫電壓電流定律可以得到阻抗網(wǎng)絡(luò)各支路電流I3、I4和I5與諧波電流Ih的關(guān)系，如（4）-（6）。通過(guò)G3，G4，G5伯德圖分析，在某一頻率G3，G4和G5值達(dá)到最大時(shí)，對(duì)該頻率的諧波的放大倍數(shù)最大。

4 結(jié)論

對(duì)孤島運(yùn)行模式下的交流電網(wǎng)進(jìn)行諧振分析，分別建立PQ和VF兩種控制方式逆變器的輸出阻抗模型，分析了PQ控制逆變器的電路參數(shù)和并聯(lián)臺(tái)數(shù)對(duì)其諧振頻率的影響。在多逆變器系統(tǒng)環(huán)境下，分析了不同位置的諧波源對(duì)各支路電流和節(jié)點(diǎn)電壓的影響。從阻抗角度出發(fā)，是一種能夠較準(zhǔn)確地分析孤島運(yùn)行模式下交流微電網(wǎng)的諧振問(wèn)題的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]Twing E，Holmes D G. Grid current regulation of a three-phase voltage source inverter with LCL input filter[J].IEEE Trans on Power Electronics，2003，18（03）：888-895.

[2]Johan H.R.Enslin，Perter J. M.Heskes. Harmonic Interaction Between a Large Number of Distributed Power Inverters and the Distributed Networks[J].IEEE Trans on Power Electronics， vol.19，no.6，pp.1586-1593，Nov.2004.

[3]許德志，汪飛，毛華龍等.多并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)的諧波交互建模與分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（12）：64-71.