引入自適應阻抗的逆變器并聯控制技術

魏桂林， 胥 飛， 施必劍， 郭 幸

(上海電機學院 電氣學院，上海 201306)

隨著全世界化石能源的逐漸枯竭和各國政府越來越重視環境保護，新能源技術得到了前所未有的關注和發展。逆變器模塊作為解決新能源并網的關鍵裝備，隨著相關技術的不斷深入研究也變得越來越成熟。當今逆變器的應用慢慢利于高可靠性、大功率傳輸等行業，而目前受限于電力電子器件的發展進程，在大功率逆變器應用的場合，大多利用逆變器并聯技術來實現多個新能源發電裝置的大功率并網，考慮到交流電能的電壓幅值、頻率與相位等問題，逆變器并聯控制技術也成為電力電子研究的重點與熱點[1]。為了使逆變器運行時更加安全和高效，解決逆變器運行時的系統間的環流帶來的問題，有學者提出了虛擬阻抗的概念[2]。在傳統的下垂控制[3]下，有功功率和頻率，無功功率和電壓幅值一般被認為具有比例的關系[4]。然而，在實際電路中，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，逆變器之間可能會產生電流環流，環流會對電網的運行和電氣設備的運行產生危害[5]。有文章提出通過設計雙閉環的控制參數[6]，將輸出阻抗與線路阻抗進行匹配，實現功率均分。也有提出改變下垂系數解決功率問題的[7]，但是未考慮到線路阻抗的差異帶來的影響。綜上所述，本文考慮到逆變器輸出電壓中可能會包含直流分量[8]，而電壓的直流分量又會產生直流的電流環流。通過對逆變器的電流反饋控制環的設計來對逆變器環流中的直流電流輸出進行抑制，同樣對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發電機的頻率調節特性曲線。當采用該控制策略時，每個微電源的有效輸出P與頻率f、無功輸出Q與電壓U線性相關。因此微電網中各微電源之間可以不通過通信系統來協調，減少了設備的維護成本，微電網系統中的不平衡功率由各微電源共同承擔，以確保系統的穩定運行，因此即使在孤島運行時，系統的頻率仍然是相對穩定的[9]。

下垂控制通常有兩種控制方式，測量頻率和電壓幅值的方式，或者是測量有功功率和無功功率的方式應用于對分布式電源的控制。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自身的線路環境，用于測量有功功率和無功功率的下垂控制策略更加穩定和適用。根據上述原理，下圖1所示的控制策略是在d-q坐標系中設計的。外環是用PI控制器的電壓控制回路，其主要作用是穩定逆變器輸出端口的電壓；內環為采用比例控制器的電流控制環，目的是增強適應能力，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 下垂控制技術研究

對接入微網的逆變器并聯系統進行潮流分析，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 逆變器與微網連接等效電路

(1)

(2)

式中：E為交流側母線電壓幅值，α為逆變器輸出電壓與母線電壓之間的相位差，將上面公式進一步簡化，考慮到線路感性成分較大，于是電阻R的影響忽略不計。

(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，并且無功功率與有壓幅值差U0-E近似呈正相關。因此能得到有功-頻率(P-f)、無功-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(這里將兩個逆變器視為理想狀態下的一模一樣)的下垂系數，下垂系數一致;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 逆變器并聯系統環流分析

2.1 環流分析

在實際電路系統中，由于逆變器本身的負載無法保持一致，逆變器輸出電壓中較小的直流分量即會引起較大的直流分量。直流電流分量也會使負載中磁性原件產生偏磁甚至磁飽和，因此必須對逆變器并聯系統中的直流環流及輸出直流分量進行抑制。

圖4 兩個逆變器的并聯等效電路圖

因為逆變器的輸出電壓中含有直流分量

(9)

此時負載的電壓值為

(10)

逆變器的輸出電流為

(11)

根據環流的定義[11]，得出

(12)

將式(11)代入式(12)中則可得

(13)

在低壓電路中，線路阻抗大體被認為是純阻性的。從推導式可以看出，在逆變器的并聯運行中，輸出電流包含直流分量和交流分量。當直流和交流分量不同的時候，會向負載中注入直流分量從而影響正常工作。

2.2 環流解決方案

逆變器并聯研究中為了實現逆變器的均流[12]，最關鍵的就是負載的均分。控制均流的常用方法為有功無功法、限流電感法、外特性下垂法[13]和電流自動均流法等。

由于輸出電流中包含DC和AC分量。解決交流分量的首要問題就是其相位角的問題，當逆變器自身的阻抗抗性相差太多時，輸出的電流相位也會有偏差，通過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多闡述。在引入虛擬阻抗改變了逆變器的阻抗后，環流的產生主要在于輸出電流的幅值差異，可以通過瞬時平均反饋電流技術來解決。

本文主要研究的是基于負載為純阻抗條件下的逆變器的瞬時平均電流反饋的環流抑制策略[14]。通過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到環流的抑制效果，減小環流的影響和改善逆變器的輸出電壓質量。并且瞬時平均反饋電流的控制技術與引入虛擬阻抗不同，不會帶來逆變器的輸出電壓壓降，但是這種方法也有自身的缺點，即輸出電壓和電流相位差別較大時電流反饋調節無法改善逆變器間的環流問題。

3 控制環的設計和阻抗分析

逆變器的控制框圖設計如圖5所示。

圖5 基于瞬時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)

由環流推導公式得出，環流的表達式為

(15)

推導出逆變器的等效阻抗[16]為

(16)

式中：Zon(s)為改進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為電壓電流雙閉環的PI控制參數；Udc為逆變器直流側電壓。獲得負載電壓的電壓表達式，并省略簡化過程為

(17)

由式(16)可以看出，逆變器之間的等效阻抗變為

(18)

可以通過改變反饋系數來增加理想狀態下兩個逆變器間的等效阻抗，當逆變器間的等效阻抗增大時，通過上面的戴維南公式可以清楚地看出并不會影響逆變器的輸出電壓質量，而同時等效阻抗的增大可以減小逆變器阻抗差異帶來的環流影響。如果逆變器之間的阻抗抗性差異很大的話，可以先通過引入虛擬阻抗來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

兩個逆變器的參數分別為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，即沒有反饋電流時，逆變器輸出端電壓波形和輸出電流波形如圖6所示，環流圖如圖7所示。

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

通過對逆變器并聯系統環流分析，分別得到了環流分量中的直流環流分量與交流環流分量，并分析各環流形成的原因。再引入瞬時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節它的阻抗相位，當逆變器間的阻抗差異較大時對交流環流分量的抑制效果較差，需要引入虛擬阻抗先來改變兩個逆變器間的阻抗抗性。單純地引入虛擬阻抗來抑制環流，較大的虛擬阻抗的引入會帶來逆變器輸出電壓的壓降。而該控制方法則是通過增大逆變器間的等效阻抗來減小阻抗差異帶來的影響，便于調節且不會影響輸出的電壓質量，可以從上面的仿真圖中清晰地看出對環流的抑制效果。

(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時逆變器并聯系統環流波形

5 結 語

本文主要對逆變器并聯控制中的環流抑制進行了研究，對環流的組成部分和形成原因進行了分析。引入了瞬時平均電流反饋控制策略，仿真分析得出對輸出阻抗大體呈阻性的逆變器并聯系統有較好的適用性，對輸出阻抗相位相差較大時，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。總體來說該方法簡單方便有其適用性。

(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時逆變器并聯系統環流波形