基于补偿电流的并联逆变器环流抑制方法

林永朋，陶 顺，肖湘宁

（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京 102206）

基于补偿电流的并联逆变器环流抑制方法

林永朋，陶 顺，肖湘宁

（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京 102206）

为了提高并网逆变器的并联运行效率和特性，需对并联运行的逆变器进行环流抑制。本文基于补偿电流法的平均电流控制的逆变器并联系统，对补偿电流的位置及调节函数进行优化，使其响应的时间常数小，均流效果不受PI调节器相移和滞后作用的影响，基波环流抑制效果更好；考虑到补偿电流法主要抑制基波环流，将补偿电流经过低通滤波器，使得补偿电流中只含有基波电流分量，消除补偿电流中谐波分量对环流抑制的影响。外部采用LCL滤波器对高频谐波环流进行抑制。仿真结果表明本文给出的基于补偿电流法的平均电流控制对抑制基波环流的优越性及LCL滤波器对抑制高频谐波环流的有效性。

并联逆变器；补偿电流；环流；PI调节器；LCL滤波器

0　引 言

分布式电源的大量应用和负载的增加使得平抑功率波动的储能电池系统获得应用，而电池系统通过多个逆变器并联以增加其容量和冗余度成为一种发展趋势，但为了提高系统运行的稳定性和效率，需要解决储能电池逆变器并联运行的基波环流和谐波环流问题。文献［1 2］对电压电流双闭环控制的逆变器并联系统的环流特性进行了分析，指出了并联逆变器输出电压的幅值和相位不一致是产生有功环流和无功环流的原因，建立了基于等效输出阻抗和求解微分方程的环流特性分析方法。文献［3 5］通过分别调节并联系统各模块输出电压的相位和幅值实现并联系统有功和无功环流功率的抑制。文献［6 7］采用瞬时平均电流控制，利用电流总线信号与自身输出电流的差，即瞬时环流指令来补偿调节逆变器的输出电流，从而实现并联系统中环流的抑制。文献［6］将瞬时平均电流补偿点置于电压外环中，然而电压环的调节时间常数较电流环的调节时间常数大，瞬时环流补偿的效果必然受到影响；文献［7］虽然将瞬时平均电流置于时间常数较短的电流内环中，将平均电流作为电流环的参考输入电流，但忽略了PI调节器的相移作用和滞后作用。文献［8 9］指出了逆变器的输出阻抗和连接线阻抗对并联环流的效果会产生影响。文献［10］通过对比几种主从控制策略抑制微网中并联逆变器环流的效果，发现等电流策略抑制环流效果最好。文献［11］比较了LC滤波器和LCL滤波器的阻抗特性，指出并联系统中采用LCL滤波器会有效地抑制参数差异而带来的环流的影响。

通过理论和仿真分析发现：补偿电流的位置影响逆变器并联均流的效果。分析其原因有两点：第一，通过补偿电流的方法来调节并联均流特性是一个实时的动态过程，要求其响应的时间常数不宜过大，使得其具有快速的调节效果，因此补偿电流置于电压外环中丧失了调节的快速性；第二，PI调节器由于调节的无差性常被用于电流内环控制中，但PI调节器自身的相移作用和滞后作用是不利于逆变器并联瞬时均流效果实现的。本文针对以上两点内容，对补偿电流的位置及调节函数进行优化，使其响应的时间常数小，均流效果不受PI调节器的影响，基波环流抑制效果更好；考虑到补偿电流法主要抑制基波环流，将补偿电流经过低通滤波器，使得补偿电流中只含有基波电流分量，消除补偿电流中谐波分量对环流抑制的影响。外部采用LCL滤波器对高频谐波环流进行抑制。最后仿真结果验证了采用合理位置的补偿电流的方法对减小并联系统中以基波为主的低频环流的有效性和优越性，同时验证了LCL滤波器对抑制高频谐波环流的有效性。

1　单台逆变器的控制原理

2　逆变器并联系统结构和分析

图1　单台逆变器控制原理图

图2　逆变器并联等效电路图

对于并联的储能电池，当要求其恒功率并网放电时，由于并网点电压基本上由电网决定，因此要求其并网总电流恒定。为了避免逆变器并联带来的环流问题，要求每个并联的逆变器单元的输出电流相等，即理想电流为

而实际并网总电流io为各逆变器输出电流之和，即

整理式（1）和（2）可得各并联逆变器的输出电流与其理想电流之间的误差，即并联环流为

由图2可以得到

将（4）式代入到（3）式得

由式（5）可见，使得并联的逆变器输出电流不相等的因素，如逆变器输出电压幅值与相位不同、系统中并联逆变器的滤波器参数不一致、并网连接线阻抗不一致等都可能引起并联环流问题。

3　控制策略的提出

在一个逆变器并联的系统中，每一个逆变器可以作为一个电压源处理。如果并联的逆变器是完全相同的，则输出电流会自动地实现均流。然而，实际中的电路，逆变器的参数不会完全相同，这些参数差别使得并联逆变器交流侧等效电压不一致而引起输出电流的不均衡，因此可以把这种参数差异或者能够反映这些差异的变量作为对输出电流的一种补偿。等电流控制对抑制并联逆变器环流最有效［10］，采用并联母线上的平均电流补偿方式可以实现对逆变器的等电流控制。

平均电流iaverage的表达式为

图3和图4分别给出了瞬时并联环流控制的两种基本框图。其中并网总电流io经过均流中心处理得到每个并联逆变器期望得到的平均电流iaverage，该平均电流与逆变器各自输出电流将一起反馈到电压控制器或电流控制器参与输出电流的调整，以减小并联逆变器之间的环流。

图3　逆变器电压外环反馈并联环流控制

图4　逆变器电流内环反馈并联均流控制

为了使图5（a）中的补偿电流参与逆变器输出电流的调节，将补偿点位置转移至Aref后的加法器中。如图5（b）所示，则转移函数为

由式（8）可以看出，转移函数与PI控制器的参数无关。

该系统采用LCL的稳定性问题在文献［12］中已经介绍，此处不再赘述。由于并网逆变器控制的是输出电流，要求并网输出电流要严格跟踪参考电流，因此只考虑i2ref到输出电流i2的闭环特性。为了说明图5（d）中补偿方式1、2、3的区别，求得补偿电流到输出电流的传递函数如下：

方式1：

方式2：

方式3：

图5　带补偿电流的均流控制框图

从式（9）到式（11）可以看出，不同的补偿点，其补偿电流到输出电流的传递函数的不同完全是因为PI调节器引起的。加入PI调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢，PI调节器相移作用和滞后作用是不利于逆变器并联瞬时环流抑制的。方式2补偿电流需要经过电流内环PI调节器GI1，尽管内环调节时间常数小，但仍会受到PI调节器的负面影响；方式3补偿电流会受到电压外环和电流内环双PI调节器GI1和GI2的影响，并且电压外环调节时间常数大，导致系统难以实现对输出电流的快速跟踪控制而影响环流抑制效果。通过上面分析和推导可知，方式1无论是补偿电流的调整函数还是补偿位置，都减小了PI调节器对并联瞬时均流效果的影响。

分析补偿电流法的主要作用是改变PWM的调制信号进而改变逆变器交流侧的输出电压，使得在该电压下并联逆变器之间的基波环流尽可能地减小，将补偿电流经过低通滤波器，使得补偿电流中只含有基波电流分量，消除补偿电流中谐波分量对环流抑制的影响。因此图5中（d）图的补偿电流实际上是原补偿电流经过低通滤波器后输出的补偿电流。

4　仿真验证与分析

4.1控制系统参数

本文中并联逆变器采用LCL滤波器来抑制高频谐波环流；而对于基波环流，采用了前文的补偿电流法。为了验证上述分析的正确性，在PSCAD/ EMTDC中搭建了如图2所示的两台逆变器并联模型，额定有功功率P=500KW，考虑到并网逆变器交流侧电网电压和直流电压的关系、并网功率波动对直流电压波动的影响等，取直流侧电压Udc= 700V。根据相关文献［67］选择参数如表1所示。

表1　系统参数Ω

4.2高频谐波环流抑制的验证

并联逆变器的环流问题包括基波环流和高频谐波环流两部分。由于补偿电流中以基波电流成分为主，因此本文给出的补偿电流方法是主要解决基波环流问题的，而对于高频谐波环流，则采用了LCL滤波器来抑制［11］，LCL滤波器的应用才导致了控制结构的复杂，因此有必要对LCL滤波器对高频谐波环流的抑制作用进行验证。

图6　不同滤波器时并联逆变器的输出电流及环流

图6给出了LCL滤波器和LC滤波器两种滤波器下并联逆变器的输出电流及环流波形，其中LC滤波器的电感值等于LCL滤波器的总电感值，滤波电容等于LCL滤波器的电容值，LC滤波器采用电容电流的反馈控制。为了更清晰地看出环流电流中各分量的变化，将谐波环流中各次（6K±1）电流分量的大小整理于表2中，从中可以看出，由于LCL滤波器与LC滤波器对低频分量都呈现单电感特性，两种滤波器总电感量相等，因此低频环流分量相差不大；而LCL滤波器在转折频率（ƒ= 1 050Hz，对应21次谐波）后对高频分量呈现高阻抗特性，对高频谐波环流起到抑制作用，因此环流中高频分量比LC滤波器下的高频分量小，证明了并联系统中采用LCL滤波器会有效地抑制参数差异而带来的高频环流的影响。

表2　两种滤波器下的环流电流分量幅值A

4.3基波环流抑制的验证

为了验证本文给出的补偿方式能够更好抑制并联基波环流效果，对本文给出的环流控制策略（图5（d）中方式1与推导本文策略所用的另外两种补偿电流的控制方式（图5（d）中方式2和3）进行了仿真对比分析，其结果如图7所示。从图7（a）中可以看出，本文中给出的控制策略能够满足并联逆变器高功率因数并网的要求。从图7（b）～7（d）3个不同控制下的环流波形对比可以看出，本文中给出的控制策略由于补偿电流未经过PI调节器，具有快速响应能力而使得均流的效果更好。

为了更清楚地看出环流中基波分量的变化，将3种控制方式下环流中各次电流分量的大小整理于表3中。可以清晰地看出：以基波为主的低频分量相差较大，而高频分量相差较小，说明补偿电流改善并联均流的实质是改善以基波为主的低频分量，并且采用本文给出的控制方式1下的逆变器，并联环流中基波环流幅值最小，均流效果更好。

表3　3种补偿电流方式控制下的环流分量幅值A

图7　不同控制方式下的仿真波形

图8　不同情况下并联逆变器交流侧输出电压之差

5　结束语

本文首先分析了逆变器并联环流产生的原因，针对现有的平均电流补偿方法需要经过电流内环PI调节器，导致其均流控制效果受到影响。在此基础上，本文将补偿电流的位置和补偿电流的调节函数进行优化，使其不受PI调节器相移和滞后作用的影响；考虑到补偿电流法主要抑制基波环流，将补偿电流经过低通滤波器，使得补偿电流中只含有基波电流分量，消除补偿电流中谐波分量对环流抑制的影响。补偿电流的方法抑制了并联环流中以基波为主的低频分量的环流，而利用LCL滤波器来抑制高频分量的谐波环流。最后仿真结果验证了采用本文中基于合理位置的补偿电流方法对减小并联系统中以基波为主的低频环流的有效性和优越性，同时验证了LCL滤波器会有效地抑制高频谐波环流的有效性。

［1］ 陈良亮，肖岚，胡文斌，等.双闭环控制电压源逆变器并联系统环流特性研究［J］.电工技术学报，2004，19（5）：21 25.

［2］ 肖岚，李睿.电压电流双闭环控制逆变器并联系统的建模和环流特性分析［J］.电工技术学报，2006，21（2）：52 56.

［3］ 徐顺刚，许建平，曹太强.电压电流双闭环反馈逆变器并联控制［J］.电力自动化设备，2009，29（10）：103 106.

［4］ Tuladhar A，Jin H，Unger T，et al.Parallel operation of single phase inverter modules with no control interconnection［C］//IEEE APEC，1997：94 100.

［5］ 于玮，徐德鸿，周朝阳.并联UPS系统均流控制［J］.中国电机工程学报，2008，28（21）：63 67.

［6］ Sun Xiao，Lee Uim Shu，Xu Dehong.Modeling，analysis，and implementation of parallel multi-inverter systems with instantaneous average-current-sharing scheme［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，2003，18（3）：844 856.

［7］ Chen JiannEuh，Chu ChingLung.Combination voltage-controlled and current-controlled PWM inverter for UPS parallel operation［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，1995，10（5）：547 558.

［8］ Guerrero J M，De Vicuna L G，Matas J，et al. Output impedance design of parallel-connected UPS inverters with wireless load-sharing control［J］. IEEE Trans.on Industry Applications，2005，52（4）：1126 1135.

［9］ Tuladhar A，Jin H，Unger T，et al.Control of parallel inverters in distributed AC power systems with consideration of line impedance effect［J］.IEEE Trans.on Industrial Applications，2000，36（1）：131 138.

［10］崔明勇，艾欣，雷之力.抑制多台分布式发电单元自治微网环流的主从控制策略［J］.电网技术，2011，35（4）：143 148.

［11］阚加荣，谢少军，刘爱忠.逆变器单元用LCL滤波器的并联系统性能分析［J］.电机与控制学报，2010，14（2）：90 98.

［12］王学华，阮新波，刘尚伟.抑制电网背景谐波影响的并网逆变器控制策略［J］.中国电机工程学报，2011，31（6）：7 14.

（责任编辑:杨秋霞）

A Method of Suppressing Circulating Current for Parallel Inverters Based on the Compensating Current

LIN Uongpeng，TAO Shun，XIAO Xiangning
（State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources（North China Electrical Power University），Beijing 102206，China）

For improving the efficiency and characteristics of parallel grid inverter，the suppression of circulating current is needed.A parallel inverters system of average current control based on the compensating current control method is studied in this paper，in which the position and adjusted function of compensating current are optimized to make its response time constant small and current averaging effect not influenced by the delay and phase shift of the PI regulator，and it has better suppressing effect of fundamental circulating current.For the compensating current method is mainly used to suppress the circulation of fundamental circulating current，the low pass filter is applied to eliminate the effect of harmonic current in compensating circulation current，which make fundamental current component only be included in compensating current.While the high frequency harmonics circulation is suppressed by using LCL filter.The simulation results show that the proposed average current control scheme based on compensating current has superiority for suppressing fundamental circulating current，and LCL filter has the validity to suppress the high frequency harmonics circulation.

parallel inverters；compensating current；circulating current；PI regulator；LCL filter

1007-2322（2015）02-0029-07

A

TM91

2014-07-02

林永朋（1989—），男，硕士研究生，研究方向为电能质量治理及新能源微网技术，E-mail：lypwxs19890703@163.com；

陶 顺（1972—），女，副教授，研究方向为智能配电网及电能质量评估与治理；

肖湘宁（1953—），男，教授，博士生导师，研究方向为电能质量治理、现代电力电子技术等。

国家科技支撑计划（2011BAA01B03）