逆變器電壓型控制策略切換方法

黃家豪，王金全，黃克峰，陳靜靜

(陸軍工程大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

0 引言

隨著能源短缺和環(huán)境問題不斷加劇，傳統(tǒng)集中式供電技術(shù)的缺陷日益凸顯，分布式可再生能源發(fā)電得到廣泛關(guān)注和發(fā)展[1-2]?？稍偕茉从捎谄浒l(fā)電的不可控性，常應(yīng)用于接入微電網(wǎng)示范工程，以并網(wǎng)或孤島模式運行[3]。逆變器作為交直流的接口裝置，其控制策略決定了微電網(wǎng)的運行狀況，直接影響著系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。

逆變器常用的控制策略可分為恒功率(PQ)控制、恒壓/恒頻(V/f)控制、下垂控制以及虛擬同步機(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制等多種，其中PQ控制屬于電流型控制，V/f控制、下垂控制和VSG控制屬于電壓型控制[4]。針對系統(tǒng)不同的運行模式，逆變器需采用不同的控制策略，以微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島模式切換為例，文獻[5]～[7]提出雙模式逆變器，并網(wǎng)運行采用電流型控制，孤島運行采用電壓型控制，并研究了逆變器在電壓型與電流型控制之間的切換方法，能夠滿足微電網(wǎng)運行需要，但并網(wǎng)運行時過多電流源的接入會給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來影響。文獻[8]和[9]分別采用下垂控制和VSG控制作為逆變器的控制策略，可同時適用于并網(wǎng)和孤島模式，且兩者均為電壓型控制策略，避免了電流源的引入，但采用單一控制策略難以滿足系統(tǒng)多種運行狀況的需求，而多控制策略之間涉及切換問題，現(xiàn)有的控制策略切換研究多集中于電流型與電壓型之間的切換，有關(guān)逆變器電壓型控制策略間的無縫切換方法尚無相關(guān)成果。

為此，本文以采用電壓型控制的逆變器為研究對象，針對其控制策略切換問題，提出了一種切換方法，可實現(xiàn)逆變器電壓型控制策略無縫平滑切換，避免切換過程中輸出電壓突變對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成的影響，并利用MATLAB/Simulink仿真軟件驗證了所提方法的有效性。

1 逆變器電壓型控制策略結(jié)構(gòu)

逆變器的控制多使用雙環(huán)控制或多環(huán)控制，外環(huán)主要用于實現(xiàn)具體控制策略，輸出作為參考信號傳遞到內(nèi)環(huán)；內(nèi)環(huán)則主要進行逆變器輸出調(diào)節(jié)，提高逆變器輸出的電壓電流質(zhì)量[10]。逆變器電壓型控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，從外環(huán)設(shè)計的角度，逆變器電壓型控制策略有V/f控制、下垂控制、VSG控制等多種，但其內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)相同。

圖1 逆變器電壓型控制結(jié)構(gòu)圖

2 逆變器電壓型控制策略切換的影響

在系統(tǒng)運行過程中，針對不同的運行情況，逆變器的控制策略往往需進行切換，以達到最優(yōu)運行效果，由于電壓型控制輸入內(nèi)環(huán)的都是有關(guān)電壓的參考信號量Ud0、Uq0、θ，因此可以共用一個內(nèi)環(huán)。由于電壓型控制策略的外環(huán)是獨立互不影響的，因此在當前控制策略運行時，其余控制策略的外環(huán)正常運行，只不過其產(chǎn)生的Ud0、Uq0、θ不送入內(nèi)環(huán)，由此可見不同電壓型控制策略外環(huán)產(chǎn)生的Ud0、Uq0、θ會存在頻率、相位及幅值的差別，在控制策略切換的過程中，造成輸出電壓的突變，對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響。以下垂控制切換到V/f控制為例，在MATLAB/Simulink軟件中進行仿真，得到的輸出電壓和頻率波形如圖2所示。

從圖2中可以看出，在3.5 s模式切換時刻電壓和頻率都會產(chǎn)生突變，將對系統(tǒng)的穩(wěn)定造成影響，當突變嚴重時，甚至會導致保護動作發(fā)生，即系統(tǒng)崩潰。

圖2 逆變器從下垂控制切換到V/f控制輸出波形

3 逆變器電壓型控制策略切換方法

針對逆變器電壓型控制策略切換前后電壓幅值、頻率和相位參考存在差別導致切換時電壓突變的問題，本文提出在切換后的模式中以增加補償量的方式消除控制策略切換前后參考量的差別，實現(xiàn)無縫切換，逆變器電壓型控制策略切換方法的控制框圖如圖3所示。

圖3 逆變器電壓型控制策略切換方法的控制框圖

其中，Vg、ωg和θg分別為當前控制策略產(chǎn)生的三相電壓幅值、角速度和相位參考；V、ω和θ分別為切換后控制策略產(chǎn)生的三相電壓幅值、角速度和相位參考。將Vg和V做差后送入PI控制器，輸出幅值補償值ΔV給切換后控制策略，切換后控制策略原有的電壓幅值參考值加上幅值補償值ΔV作為新的電壓幅值參考值，頻率參考補償值和相位參考補償值可同理得到。

通過增加補償量的方式可實現(xiàn)切換瞬間兩個控制策略產(chǎn)生的三相電壓幅值、角速度和相位參考一致，切換完成后補償量需去除，為防止補償量去除時三相電壓幅值、角速度和相位參考的跳變，記控制策略切換時的補償量為ΔX，將ΔX與0分別作為數(shù)值緩沖器的初值與終值，經(jīng)過數(shù)值緩沖器的調(diào)節(jié)，使ΔX逐漸過渡到0，從而保證控制策略的平滑切換，數(shù)值緩沖器的調(diào)節(jié)如式(1)所示。

(1)

式中：Δxt為補償量的過渡值；T為從初值到終值的過渡時間；Δx為步長，滿足Δx=ΔX/T。為防止過渡過程過快產(chǎn)生的電壓和頻率突變，過渡時間T應(yīng)當大于逆變器的瞬態(tài)電壓及頻率穩(wěn)定時間。

4 仿真驗證

為了驗證上述模式切換控制方法的可行性，采用MATLAB/Simulink仿真軟件，搭建了包含V/f控制和下垂控制的逆變器系統(tǒng)仿真模型。采用上述控制策略切換方法后，以下垂控制切換到V/f控制為例，逆變器輸出電壓和頻率波形如圖4所示。

圖4 加入控制策略切換方法后逆變器輸出波形

從圖4中可以看出，在3.5 s模式切換時刻電壓和頻率均能夠平滑過渡，無突變，驗證了所提逆變器電壓型控制策略切換方法的有效性。

5 結(jié)論

本文以采用電壓型控制的逆變器為研究對象，針對其控制策略切換問題，提出了一種切換方法，通過增加補償量的方式實現(xiàn)切換瞬間兩個控制策略產(chǎn)生的三相電壓幅值、角速度和相位參考一致，進一步加入數(shù)值緩沖器防止補償量去除時三相電壓幅值、角速度和相位參考的跳變，保證控制策略的平滑切換。最后，利用MATLAB/Simulink仿真軟件驗證了所提逆變器電壓型控制策略切換方法的有效性。