微電網(wǎng)逆變器并聯(lián)控制策略研究

邵明強

(浙江浙能集團嘉興發(fā)電有限公司，浙江 嘉興　314000)

微電網(wǎng)逆變器并聯(lián)控制策略研究

邵明強

(浙江浙能集團嘉興發(fā)電有限公司，浙江 嘉興314000)

摘要：隨著電力電子技術的日益發(fā)展，基于逆變器的分布式發(fā)電得到了大規(guī)模應用。多模塊并聯(lián)運行以擴大電源容量是當今電源變換技術發(fā)展的重要方向之一，大大提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。但同時，多臺逆變器的并聯(lián)系統(tǒng)也存在著一些問題亟待解決。介紹和分析了針對并聯(lián)逆變器間負荷均分問題，并提出了帶有虛擬阻抗的下垂控制方式的控制策略。首先介紹了當今常用的主要逆變器并聯(lián)控制技術，其中下垂控制的無互連線控制技術具有明顯的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿ΑＨ缓蠼榻B了兩臺逆變器的并聯(lián)系統(tǒng)，并從理論和仿真中引出了由于各逆變器間的參數(shù)差異而產生環(huán)流的問題。接著介紹了下垂控制與虛擬阻抗控制策略，以解決由于環(huán)流造成的負載功率不均分問題。最后，在simulink中進行了仿真中，得出了加入虛擬阻抗控制后的下垂控制方式，在工頻和高頻情況下，都能很好地做到功率均分，且改善輸出電壓的波形畸變，驗證了結論的正確性。

關鍵詞：微電網(wǎng)；電力電子技術；逆變器并聯(lián)控制技術；下垂控制策略；虛擬阻抗控制策略

隨著DG的大量引入，逆變器的應用不可或缺。通常采用多模塊并聯(lián)運行以擴大電源容量。但是在逆變器并聯(lián)運行狀態(tài)中，必須保持各逆變器的輸出電壓的幅值、相位、頻率及各逆變器參數(shù)相同，否則各逆變電源的輸出電流會有差異，出現(xiàn)環(huán)流。該環(huán)流的存在，使得各逆變器無法平均分擔負載功率，從而增加了個別逆變器的負擔，增加系統(tǒng)的損耗，嚴重時會損壞功率器件使系統(tǒng)崩潰，導致供電中斷。因此，必須采取有效的環(huán)流抑制措施來實現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)的可靠運行。

1環(huán)流分析

2臺逆變器的并聯(lián)系統(tǒng)等效圖見圖1。

U1，U2——2臺逆變器的等效電壓源；U0——并聯(lián)回流線的輸出電壓；Z1，Z2——2逆變器的等效輸出阻抗；Z0——負載阻抗；I1，I2——2臺逆變器的輸出電流；φ1，φ2——2逆變器等效電壓源與輸出電壓間的相角。圖1　并聯(lián)系統(tǒng)等效圖

定義環(huán)流如下：

可以看出，環(huán)流與各逆變器的空載輸出電壓的幅值、相位、頻率以及等效輸出阻抗等因素有關。在實際并聯(lián)系統(tǒng)中，逆變器各自的輸出阻抗不可能完全相同。因此也就成為了產生環(huán)流的主要因素。改變阻抗參數(shù)時的有功環(huán)流和無功環(huán)流曲線如圖2所示。

圖2　改變阻抗參數(shù)時的有功環(huán)流和無功環(huán)流曲線

2并聯(lián)控制方式

按照逆變單元間有無信號線來分類，則可分為有連線并聯(lián)技術和無連線并聯(lián)技術。

有連線技術中又分為集中控制方式、主從控制方式和分散邏輯控制方式。他們的共同特點都是通過信號線來傳遞各逆變單元的信息。由于信號線的引入，增大了風險的可能，在長距離傳輸時會帶來較大干擾。

而無聯(lián)線技術中則去掉了該信號線，電力線通信并聯(lián)，和下垂特性控制方式。由于電力線通信并聯(lián)的控制方式易受外界干擾，一些研究采用光纖的方式進行信號的傳輸以減小電磁干擾，但同時增加了成本。而下垂控制方式從其并聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)學模型出發(fā)，可完全消除信號線，同時避免干擾，是目前較有效的方式。

3下垂控制的原理與仿真

3.1功率理論

sinφi=φi(i=1,2), cosφi≈1(i=1,2)

X1=X2=X,R1=R2=R

所以在感性下，有，

根據(jù)功率方程可以看出，調節(jié)空載輸出電壓的相角，可以改變有功，調節(jié)空載輸出電壓的幅值可以改變無功。

3.2下垂控制原理

實時檢測各逆變器當前的輸出有功和無功，將其引入人為加入的下垂控制環(huán)節(jié)以改變空載輸出電壓的幅值和相位，隨著空載輸出電壓幅值和相位的改變，在自身功率方程的作用下，反作用于其輸出有功和無功的改變。

在各逆變器的等效輸出阻抗呈感性的前提下，下垂控制方程為：

ω=ω0-mP,U=U0-nQ

(1)

式中ω0，U0——該逆變器空載時的基準角頻率和輸出電壓；m，n——下垂控制系數(shù)；P，Q——當前的逆變器輸出有功和無功。

式(1)的圖像見圖3。

圖3　下垂控制曲線

3.3仿真分析

在實際的硬件實現(xiàn)中，通過調節(jié)電壓的角頻率來調節(jié)電壓的相位。通過改變各單項逆變器的PWM參考電壓來間接改變其空載輸出電壓。其仿真圖如圖4所示。

圖4　下垂控制部分仿真電路圖

(1)線性負載

當負載為10Ω的線性電阻時其輸出電壓波形如圖5所示。其中，參數(shù)I0為兩逆變器的輸出電流(兩電流近似重疊)，U0為并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓。

圖5　線性負載下的輸出波形

(2)非線性負載

在并聯(lián)系統(tǒng)中接上如下的非線性負載。(見圖6)

L——5 mH，C——200 μF，R——15 Ω圖6　非線性負載電路圖

其輸出波形見圖7。

圖7　非線性負載下的輸出波形

可以看出，在線性負載下，其環(huán)流比未加下垂控制時的環(huán)流要小的多，同時愛非線性負載下，其輸出電壓和電流的波形發(fā)生了畸變，這是下垂控制需要解決的問題之一。

4虛擬阻抗控制的原理與仿真

4.1下垂控制需要解決的問題

(1) 非線性負載下輸出電壓波形畸變

由于輸出感抗X=ωL=2πfL，是隨頻率的變化而變化的，在高頻且負載為非線性時，輸出電流中的大量諧波成分會在電感上產生很大的諧波壓降，導致輸出電壓波形畸變。

(2) 功率解耦

由于下垂控制的控制方程是按照感性的情況來設計的。完全忽略了輸出阻抗中電阻的成分，這樣就是的功率方程中，輸出有功至于橡膠有關，輸出無供職于電壓幅值有關。但實際上在電阻成分的作用下，調節(jié)電壓相位也會引起無功的改變，調節(jié)電壓幅值也會引起有功的改變。這樣就使下垂控制的準確度降低。

4.2虛擬阻抗原理

改變逆變器的等效輸出阻抗的特性，使得其在工頻下提高感性，以盡可能地實現(xiàn)功率解耦。考慮使虛擬阻抗為純電感以增強感性。在高頻時減小感性，以改善輸出波形。考慮在虛擬阻抗中加入一低通濾波器，以濾去高次諧波。其控制結構圖見圖8。

圖8　虛擬阻抗控制結構圖

令Zv=sLv，其等效輸出阻抗為：

圖9為上述情況下的等效輸出阻抗伯德圖。

圖9　等效輸出阻抗伯德圖

通過相頻圖像可以看出，引入阻感性帶有濾波器的虛擬阻抗時，較不加虛擬阻抗時，其在工頻下的感性增強，且在高頻時感性下降，基本符合理論要求。

4.3虛擬阻抗的仿真分析

虛擬阻抗控制部分的仿真圖見圖10。

圖10　虛擬阻抗控制部分電路圖

其輸出波形如圖11。

圖11　虛擬阻抗控制下的非線性負載輸出波形

加入虛擬阻抗的輸出功率波形如圖12。

圖12　加入虛擬阻抗的輸出功率波形

未加任何控制時的輸出功率波形如圖13。

圖13　未加任何控制時的輸出功率波形

5結論

正對于負荷均分問題，運用傳統(tǒng)的下垂控制會有所改善，但是由于控制方程是利用調節(jié)輸出電壓的幅值和角頻率來調節(jié)無功和有功，所以當負載的功率波動時，輸出電壓的幅值和角頻率也會有所改變。同時，在非線性負載下，單純利用下垂控制無法改善由于非線性負載引起的輸出電壓波形畸變，所以在該種控制方式下的電能質量問題有待進一步探究。

在加入虛擬阻抗控制后的下垂控制，使得有功與無功得到了很好的解耦，從而使下垂控制的精準度更高。此外，對于非線性負載引起的輸出電能質量問題，也可以利用虛擬阻抗的濾波特性得到有效的改善。

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(本文編輯：楊林青)

Research on Control Scheme of Parallel Inverters in Microgrid

SHAO Ming-qiang

(ZhejiangzhenengJiaxingPowerGroupCo.Ltd.,Jiaxing314000，China)

Abstract:With the development of power electronics technologies, quantities of inverter based DG units have been installed. The Parallel operation with Multi module to expand the power capacity has become one of the most important trends of the Power transformation. It improves the flexibility and reliability of the power system. .Meanwhile, The Multi module-Paralleling also has problems witch need to be dealt with eagerly. To address the load sharing problem between inverters, this paper did introduction and analysis closely. proposing the Control Scheme of droop control with Virtual Impedance. First, this paper introduced the main control Approaches of the paralleling inverters, above all, the drop control has better advantages and potential than others. Then it introduced the parallel system with two inverters. And it introduced the loop-current problem caused by the differences in parameters of the two inverters through theory and stimulation. Furthermore it introduced drop control and virtual impendence control strategies in order to address the load sharing problem caused by loop-current. Finally, with the stimulation on SIMULINK, it can be seen that under the control of the drop-control with virtual impedance, the power can be better shared no matter at 50 Hz or high hertz. And the harmonic distortions are mitigated. Experimental results are provided to validate the feasibility of the proposed control approach.

Key words:microgrid; power electronics technology; control scheme of parallel inverters; control scheme of drop-control; virtual impedance

作者簡介：邵明強(1975)，男，助理工程師，從事發(fā)電企業(yè)運行工作。

中圖分類號：TM464

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)03-0304-04

收稿日期：2016-05-11