微电网逆变器并联控制策略研究

邵明强

(浙江浙能集团嘉兴发电有限公司，浙江 嘉兴　314000)

微电网逆变器并联控制策略研究

邵明强

(浙江浙能集团嘉兴发电有限公司，浙江 嘉兴314000)

摘要：随着电力电子技术的日益发展，基于逆变器的分布式发电得到了大规模应用。多模块并联运行以扩大电源容量是当今电源变换技术发展的重要方向之一，大大提高了系统的灵活性和可靠性。但同时，多台逆变器的并联系统也存在着一些问题亟待解决。介绍和分析了针对并联逆变器间负荷均分问题，并提出了带有虚拟阻抗的下垂控制方式的控制策略。首先介绍了当今常用的主要逆变器并联控制技术，其中下垂控制的无互连线控制技术具有明显的优势和发展潜力。然后介绍了两台逆变器的并联系统，并从理论和仿真中引出了由于各逆变器间的参数差异而产生环流的问题。接着介绍了下垂控制与虚拟阻抗控制策略，以解决由于环流造成的负载功率不均分问题。最后，在simulink中进行了仿真中，得出了加入虚拟阻抗控制后的下垂控制方式，在工频和高频情况下，都能很好地做到功率均分，且改善输出电压的波形畸变，验证了结论的正确性。

关键词：微电网；电力电子技术；逆变器并联控制技术；下垂控制策略；虚拟阻抗控制策略

随着DG的大量引入，逆变器的应用不可或缺。通常采用多模块并联运行以扩大电源容量。但是在逆变器并联运行状态中，必须保持各逆变器的输出电压的幅值、相位、频率及各逆变器参数相同，否则各逆变电源的输出电流会有差异，出现环流。该环流的存在，使得各逆变器无法平均分担负载功率，从而增加了个别逆变器的负担，增加系统的损耗，严重时会损坏功率器件使系统崩溃，导致供电中断。因此，必须采取有效的环流抑制措施来实现并联系统的可靠运行。

1环流分析

2台逆变器的并联系统等效图见图1。

U1，U2——2台逆变器的等效电压源；U0——并联回流线的输出电压；Z1，Z2——2逆变器的等效输出阻抗；Z0——负载阻抗；I1，I2——2台逆变器的输出电流；φ1，φ2——2逆变器等效电压源与输出电压间的相角。图1　并联系统等效图

定义环流如下：

可以看出，环流与各逆变器的空载输出电压的幅值、相位、频率以及等效输出阻抗等因素有关。在实际并联系统中，逆变器各自的输出阻抗不可能完全相同。因此也就成为了产生环流的主要因素。改变阻抗参数时的有功环流和无功环流曲线如图2所示。

图2　改变阻抗参数时的有功环流和无功环流曲线

2并联控制方式

按照逆变单元间有无信号线来分类，则可分为有连线并联技术和无连线并联技术。

有连线技术中又分为集中控制方式、主从控制方式和分散逻辑控制方式。他们的共同特点都是通过信号线来传递各逆变单元的信息。由于信号线的引入，增大了风险的可能，在长距离传输时会带来较大干扰。

而无联线技术中则去掉了该信号线，电力线通信并联，和下垂特性控制方式。由于电力线通信并联的控制方式易受外界干扰，一些研究采用光纤的方式进行信号的传输以减小电磁干扰，但同时增加了成本。而下垂控制方式从其并联系统的数学模型出发，可完全消除信号线，同时避免干扰，是目前较有效的方式。

3下垂控制的原理与仿真

3.1功率理论

sinφi=φi(i=1,2), cosφi≈1(i=1,2)

X1=X2=X,R1=R2=R

所以在感性下，有，

根据功率方程可以看出，调节空载输出电压的相角，可以改变有功，调节空载输出电压的幅值可以改变无功。

3.2下垂控制原理

实时检测各逆变器当前的输出有功和无功，将其引入人为加入的下垂控制环节以改变空载输出电压的幅值和相位，随着空载输出电压幅值和相位的改变，在自身功率方程的作用下，反作用于其输出有功和无功的改变。

在各逆变器的等效输出阻抗呈感性的前提下，下垂控制方程为：

ω=ω0-mP,U=U0-nQ

(1)

式中ω0，U0——该逆变器空载时的基准角频率和输出电压；m，n——下垂控制系数；P，Q——当前的逆变器输出有功和无功。

式(1)的图像见图3。

图3　下垂控制曲线

3.3仿真分析

在实际的硬件实现中，通过调节电压的角频率来调节电压的相位。通过改变各单项逆变器的PWM参考电压来间接改变其空载输出电压。其仿真图如图4所示。

图4　下垂控制部分仿真电路图

(1)线性负载

当负载为10Ω的线性电阻时其输出电压波形如图5所示。其中，参数I0为两逆变器的输出电流(两电流近似重叠)，U0为并联系统的输出电压。

图5　线性负载下的输出波形

(2)非线性负载

在并联系统中接上如下的非线性负载。(见图6)

L——5 mH，C——200 μF，R——15 Ω图6　非线性负载电路图

其输出波形见图7。

图7　非线性负载下的输出波形

可以看出，在线性负载下，其环流比未加下垂控制时的环流要小的多，同时爱非线性负载下，其输出电压和电流的波形发生了畸变，这是下垂控制需要解决的问题之一。

4虚拟阻抗控制的原理与仿真

4.1下垂控制需要解决的问题

(1) 非线性负载下输出电压波形畸变

由于输出感抗X=ωL=2πfL，是随频率的变化而变化的，在高频且负载为非线性时，输出电流中的大量谐波成分会在电感上产生很大的谐波压降，导致输出电压波形畸变。

(2) 功率解耦

由于下垂控制的控制方程是按照感性的情况来设计的。完全忽略了输出阻抗中电阻的成分，这样就是的功率方程中，输出有功至于橡胶有关，输出无供职于电压幅值有关。但实际上在电阻成分的作用下，调节电压相位也会引起无功的改变，调节电压幅值也会引起有功的改变。这样就使下垂控制的准确度降低。

4.2虚拟阻抗原理

改变逆变器的等效输出阻抗的特性，使得其在工频下提高感性，以尽可能地实现功率解耦。考虑使虚拟阻抗为纯电感以增强感性。在高频时减小感性，以改善输出波形。考虑在虚拟阻抗中加入一低通滤波器，以滤去高次谐波。其控制结构图见图8。

图8　虚拟阻抗控制结构图

令Zv=sLv，其等效输出阻抗为：

图9为上述情况下的等效输出阻抗伯德图。

图9　等效输出阻抗伯德图

通过相频图像可以看出，引入阻感性带有滤波器的虚拟阻抗时，较不加虚拟阻抗时，其在工频下的感性增强，且在高频时感性下降，基本符合理论要求。

4.3虚拟阻抗的仿真分析

虚拟阻抗控制部分的仿真图见图10。

图10　虚拟阻抗控制部分电路图

其输出波形如图11。

图11　虚拟阻抗控制下的非线性负载输出波形

加入虚拟阻抗的输出功率波形如图12。

图12　加入虚拟阻抗的输出功率波形

未加任何控制时的输出功率波形如图13。

图13　未加任何控制时的输出功率波形

5结论

正对于负荷均分问题，运用传统的下垂控制会有所改善，但是由于控制方程是利用调节输出电压的幅值和角频率来调节无功和有功，所以当负载的功率波动时，输出电压的幅值和角频率也会有所改变。同时，在非线性负载下，单纯利用下垂控制无法改善由于非线性负载引起的输出电压波形畸变，所以在该种控制方式下的电能质量问题有待进一步探究。

在加入虚拟阻抗控制后的下垂控制，使得有功与无功得到了很好的解耦，从而使下垂控制的精准度更高。此外，对于非线性负载引起的输出电能质量问题，也可以利用虚拟阻抗的滤波特性得到有效的改善。

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(本文编辑：杨林青)

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

作者简介：邵明强(1975)，男，助理工程师，从事发电企业运行工作。

中图分类号：TM464

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)03-0304-04

收稿日期：2016-05-11