逆變器無互聯并聯系統(tǒng)中環(huán)流抑制策略的研究

周繼紅，槐博超，陳雪亮

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逆變器無互聯并聯系統(tǒng)中環(huán)流抑制策略的研究

周繼紅1，槐博超2，陳雪亮2

（1. 蘭州理工大學，蘭州 730050；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

逆變器無互聯線并聯系統(tǒng)中，采用傳統(tǒng)的PQ下垂控制法往往會引起動態(tài)性能的問題。其中最嚴重的問題是在調節(jié)過程中會引起逆變器輸出電壓的相位滯后。本文對傳統(tǒng)下垂控制特性的局限性進行仔細分析，研究了一種雙下垂特性控制方案。此控制方案解決了逆變器輸出電壓的相位滯后問題，同時對并聯系統(tǒng)功率均分影響不大，并且對環(huán)流也有較強的抑制能力以及使負載電流均分。

PQ下垂特性 逆變器 并聯系統(tǒng) 環(huán)流

0 引言

逆變器并聯是提高電源系統(tǒng)容量和可靠性的一種有效方式。一般的逆變器并聯都屬于有互聯線控制，但是有互聯線控制存在控制互聯線上干擾的引入、并聯逆變器之間的位置限制等缺陷[1]。因此一些學者提出了逆變器無互聯線并聯的研究，其中絕大多數研究方案都是基于PQ下垂控制這種傳統(tǒng)的下垂特性控制方案來實現多臺逆變器之間的并聯[2]。這種傳統(tǒng)的下垂特性控制方案可以實現多臺逆變器之間的無互聯線并聯，并且不會限制各臺逆變器之間的位置，但是在調壓與調頻的過程中，很容易導致引起逆變器輸出電壓的相位滯后，引起系統(tǒng)的振蕩。本文針對傳統(tǒng)的下垂特性控制在逆變器無互聯線并聯中存在的輸出電壓相位滯后問題而提出一種雙下垂控制策略。這種控制方案中，兩個下垂控制器“分工合作”，一個調節(jié)系統(tǒng)無功功率來確保兩臺逆變器輸出電壓幅值相同，一個主要用來調節(jié)輸出電壓的相位變化最終消除逆變器輸出電壓的相位滯后。通過仿真驗證了這種控制策略。

1 逆變器并聯系統(tǒng)環(huán)流分析

圖1 兩臺逆變器并聯系統(tǒng)等效電路

逆變器1的輸出電流和逆變器2的輸出電流如下：

4）當兩臺逆變器的輸出電壓的幅值相同而輸出阻抗和功率角不同時，即：

此時并聯系統(tǒng)產生的環(huán)流為：

5）當兩臺逆變器的功率角相同而輸出阻抗和輸出電壓的幅值不同時，即：

此時并聯系統(tǒng)產生的環(huán)流為：

6）當兩臺逆變器的輸出阻抗相同而功率角和輸出電壓的幅值不同時，

由以上六種環(huán)流形式可知：通過PQ下垂控制中的有功功率和無功功率最終可以使并聯系統(tǒng)中的逆變器輸出電壓的幅值和逆變器的功率角保持一致，從而因逆變器的輸出電壓的幅值和逆變器的功率角不同引起的環(huán)流可以抑制，甚至可以消除。然而通過仿真得出傳統(tǒng)PQ下垂控制策略容易引起逆變器輸出電壓的相位滯后，并且因輸出阻抗不同而引起的環(huán)流形式由傳統(tǒng)的PQ下垂控制不容易抑制。因此必須找到一種新的下垂控制策略，既能防止調解過程中逆變器輸出電壓的相位滯后，保證并聯系統(tǒng)輸出電壓達到預期目的；又能將由輸出阻抗不同而產生的環(huán)流控制在一定的范圍內，保證其不會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性；并且能夠達到并聯系統(tǒng)均流的目的。

2 逆變器并聯系統(tǒng)的下垂特性分析

2.1傳統(tǒng)的下垂控制特性分析

當輸出阻抗為非線性阻抗時，即其感性分量和阻性分量都不能忽略，此時逆變器輸出電壓的幅值和頻率同時影響其輸出有功功率和無功功率,這時逆變器輸出電壓幅值和頻率由輸出有功功率和無功功率共同調節(jié)。則逆變器輸出電壓幅值和頻率下垂法的統(tǒng)一控制公式如下：

由以上分析可知：有功功率、無功功率與輸出電壓頻率、幅值之間是兩兩耦合的關系[3,4]。由于P、Q和輸出電壓幅值及相位之間存在這種耦合關系，因此傳統(tǒng)的PQ下垂控制在調節(jié)輸出電壓幅值時會使輸出電壓相位滯后。

2.2改進的下垂控制

為了解決傳統(tǒng)下垂控制對輸出電壓相位滯后的問題，本文研究了一種雙下垂控制方式，控制原理如圖2所示。

圖2 改進下垂控制原理圖

這種雙下垂控制方式一個用來調節(jié)系統(tǒng)無功功率來保證輸出電壓幅值相同，一個主要用來調節(jié)輸出電壓的相位的變化最終消除逆變器輸出電壓的相位滯后。并且這種方案能夠減小因輸出阻抗不同而產生的環(huán)流，提高了功率均分的精度。雙下垂控制的控制方程為：

其中k為有功功率補償系數。

圖3為加入有功功率補償系數后系統(tǒng)波特圖。從上圖可以看出系統(tǒng)相對增益維持在0 dB。下圖可以得出相對增益以每倍頻程12 dB的斜率下降，過渡帶比較平滑。從圖4中可以看出加了外環(huán)控制后系統(tǒng)穿越頻率有了下降，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且在低頻段沒有衰減。因此加入改進的下垂控制后系統(tǒng)穩(wěn)定性不受影響。

圖3 加入有功功率補償系數后系統(tǒng)波特圖

3 仿真驗證

為了驗證理論分析的正確性，本文在Matlab—simulink環(huán)境下進行仿真驗證。驗證參數如下：雙下垂控制策略中，k= k= k= k=0.005，k=0.0032。則將雙下垂控制策略加入逆變器并聯系統(tǒng)后，逆變器輸出電壓電流如圖4所示，從圖中可以看出加入有功功率補償系數后逆變器輸出電壓電流穩(wěn)定性所受影響不大。

圖4下垂控制器改進后的逆變器輸出電壓波形

圖5負載突增一倍后的逆變器輸出電壓和電流

圖5為兩臺逆變器并聯運行到0.03 s時負載從100 Ω突增到200 Ω后的逆變器輸出電壓和輸出電流波形。從圖中可以看出，加入改進環(huán)流抑制策略后負載突加（或突減）時能夠達到負載電流均分，而輸出電壓不受影響，而且負載突增（或突減）時并聯系統(tǒng)的穩(wěn)定性不會發(fā)生改變。

4 結論

在逆變器無互聯線并聯中，傳統(tǒng)的下垂特性控制存在的各種問題。針對該問題本文研究了一種雙下垂控制策略。通過仿真驗證可知，這種雙下垂控制策略加入逆變器并聯系統(tǒng)中能夠消除逆變器并聯運行時產生的輸出電壓相位滯后不僅不會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，還能夠抑制因輸出阻抗不同而產生的環(huán)流，從而提高了功率均分的精度，達到了逆變器并聯運行時均流的目的。

圖6 逆變器并聯系統(tǒng)的環(huán)流

[1] 林新春, 段善旭, 康勇, 陳堅. UPS無互聯線并聯中基基于解耦控制的下垂特性控制方案[J]. 中國電機工程學報, 2003, 23(12): 117-122.

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[5] 周玉柱, 茆關琴, 蘇建徽. 基于功率下垂特性的逆變器無線并聯控制技術[J]. 電力電子技術, 2007, 41(4): 9-11.

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[7] 李靖. 基于功率均分控制的逆變器并聯技術研究[D]. 蘭州理工大學碩士學位論文, 2012.

Circular Current Suppression Strategy of Parallel Connected Inverters without Interconnections

Zhou Jihong1, Huai Bochao2, Chen Xueliang2

(1. Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM464

A

1003-4862（2014）08-0039-04

2014-01-09

周繼紅(1987-)，男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。