《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種新型的單相逆變器并聯(lián)控制方法
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
黎凡森1，曹太強(qiáng)1，2，陳顯東1，胡 鵬3
1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都610039； 2.流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西華大學(xué)），四川 成都610039；3.成都麥隆電氣有限公司，四川 成都610500
摘要： 在并聯(lián)系統(tǒng)中，逆變器輸出電壓幅值、頻率或相位的微小差異都會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，造成系統(tǒng)無法正常工作。引用三相VSG的控制原理，分析了單相逆變器并聯(lián)系統(tǒng)均流控制方法。用同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程對(duì)其調(diào)速性能進(jìn)行模擬，消除了無功功率和線路阻抗之間的耦合關(guān)系，更好地實(shí)現(xiàn)均流。加入虛擬阻抗后，使系統(tǒng)呈現(xiàn)近似感性，減小線路阻抗對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。仿真結(jié)果表明：并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流得到有效抑制，減小到0.008 A左右，孤島運(yùn)行時(shí)輸出電流諧波含量在0.8%，系統(tǒng)的頻率能較好地穩(wěn)定在50 Hz?；赩SG的控制方法能夠?yàn)閱蜗嗖⒙?lián)逆變系統(tǒng)輸出電壓提供頻率、相位和和電壓支撐。
中圖分類號(hào)： TM464
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.165516
中文引用格式： 黎凡森，曹太強(qiáng)，陳顯東，等. 一種新型的單相逆變器并聯(lián)控制方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(8)：147-150，154.
英文引用格式： Li Fansen，Cao Taiqiang，Chen Xiandong，et al. A novel control method for parallel inverters in parallel connection[J].Application of Electronic Technique，2017，43(8)：147-150，154.
A novel control method for parallel inverters in parallel connection
Li Fansen1，Cao Taiqiang1，2，Chen Xiandong1，Hu Peng3
1.Schoole of Electric Information，Xihua University，Chengdu 610039，China； 2.Key Laboratory of Fluid and Power Machinery(Xihua University)，Ministy of Education，Chengdu 610039，China； 3.Chengdu MOLO Electric Ltd，Chengdu 610500，China
Abstract： In parallel system, the output voltage amplitude, frequency or phase of the inverter will have a small difference in the output voltage, which can cause the system to be unable to work properly. In this paper, the control principle of three-phase VSG is cited, and the average current control method of single phase inverter parallel system is analyzed. The governing performance of the synchronous generator is simulated by using the equation of the rotor of the synchronous generator, and the coupling relationship between the reactive power and the line impedance is eliminated. After the virtual impedance is added, the system presents an approximate sensitivity and reduces the influence of the line impedance on the whole system. The simulation results show that the circulation of the parallel system is effectively restrained, and the output current harmonic content is 0.8%, and the frequency of the system can be stable at 50 Hz, which is stable at around 0.008 A. The control method based on VSG can provide frequency, phase and voltage support for the output voltage of single phase parallel inverter system.
Key words : virtual synchronous generator；single phase inverter；parallel；circulation；virtual impedance

0 引言

    隨著大規(guī)模的風(fēng)能、太陽(yáng)能、燃料電池、電動(dòng)汽車等接入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)正從以傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)逐步轉(zhuǎn)向包含大量新型電力電子設(shè)備的系統(tǒng)。逆變器并聯(lián)時(shí)的環(huán)流問題不容忽視。傳統(tǒng)下垂控制[1-5]模擬電力系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)壓對(duì)多逆變器系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，環(huán)流大小容易受到線路阻抗的影響。一般地，微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出阻抗較小，阻性成分更大，而低電壓等級(jí)時(shí)的輸出阻抗不能忽略，文獻(xiàn)[6-8]提出虛擬阻抗控制方法，增大線路的感性，降低線路阻性對(duì)功率耦合之間的影響，但是這種控制方法本身響應(yīng)速度太快、幾乎沒有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，不能完全地模擬電力系統(tǒng)，因此，不能提供能夠應(yīng)對(duì)突發(fā)事故的電壓和頻率支撐?；诖?，文獻(xiàn)[9]提出構(gòu)建VSG模型模擬同步發(fā)電機(jī)外特性對(duì)逆變器控制，使逆變器具有大慣性、自適應(yīng)等特點(diǎn)，解決了這些新增的設(shè)備與電力系統(tǒng)的兼容性。現(xiàn)有文獻(xiàn)VSG控制方法多用于三相逆變系統(tǒng)中，本文將VSG模型運(yùn)用于單相逆變并聯(lián)系統(tǒng)，使之與實(shí)際同步發(fā)電機(jī)外特性更加接近，有效提高系統(tǒng)的慣性，增加系統(tǒng)的電壓和頻率穩(wěn)定性，并能增加系統(tǒng)在突發(fā)事故發(fā)生時(shí)的應(yīng)對(duì)能力，從而真正抑制環(huán)流的產(chǎn)生。

1 多機(jī)并聯(lián)功率分析

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    線路阻抗為普通阻感性時(shí)，有：

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    其中kp、kq分別為有功調(diào)節(jié)系數(shù)和無功調(diào)節(jié)系數(shù)。單相逆變并聯(lián)系統(tǒng)中單臺(tái)逆變器的輸出線路為純感性時(shí)，該逆變器輸出的有功功率主要由輸出電壓相角決定，而相角的變化又與頻率的變化息息相關(guān)，所以逆變并聯(lián)系統(tǒng)中單臺(tái)逆變器輸出的有功功率可以由頻率f來進(jìn)行控制，而輸出電壓幅值則可以用來控制無功功率。

    純感性情況下的有功調(diào)節(jié)和無功調(diào)節(jié)框圖分別如圖2、圖3所示。

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    從圖2、圖3可以推出：

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    其中ω*、ω0分別為空載電角速度、公共母線角速度，U、U0分別為空載輸出電壓和公共母線交流電壓。從式（4）可知，有功功率與等效阻抗之間因?yàn)橛蟹e分項(xiàng)的存在，穩(wěn)態(tài)時(shí)不存在直接的關(guān)系；但是無功功率卻和等效阻抗之間相關(guān)。這種下垂控制的魯棒性較差，無功功率均分時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差。

2 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制

2.1 控制模型

    根據(jù)同步發(fā)電機(jī)二階模型，假設(shè)極對(duì)數(shù)為1，繞組自感為L(zhǎng)，互感為-M，勵(lì)磁電抗阻感值為Rf，Lf。

    本文根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]中單相正弦鎖定器所用的同步發(fā)電機(jī)模型給出主要控制方程：

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    在單相逆變器中，單相橋臂和LC濾波器構(gòu)成。將同步發(fā)電機(jī)模型運(yùn)用于逆變器控制中，根據(jù)上述各式，得到控制器的框圖如圖4所示。

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    圖4中Un為單相逆變器輸出端電壓幅值，與同步電機(jī)實(shí)際模型中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e相對(duì)應(yīng)；In為電感輸出電流，與同步發(fā)電機(jī)定子端電流i對(duì)應(yīng)；濾波器以及后敘的虛擬阻抗與勵(lì)磁繞組的阻感對(duì)應(yīng)。

    圖4中J為同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，D為阻尼系數(shù)。由于受到同步發(fā)電機(jī)自身物理特性約束，其慣性常數(shù)和阻尼系數(shù)是特定的數(shù)值。但是虛擬同步發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù)和阻尼系數(shù)選擇更加靈活，可以達(dá)到傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)無法取到的數(shù)值。而且由于D和J的存在，系統(tǒng)會(huì)存在與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)一致的振蕩特性，增強(qiáng)了分布式發(fā)電系統(tǒng)的慣性和阻尼，可以提供一定的頻率和電壓支撐，能夠有效地應(yīng)對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)中出現(xiàn)的隨機(jī)性、不可控性對(duì)其造成的不利影響。

2.2 調(diào)頻系統(tǒng)

    模擬單相逆變器并聯(lián)下垂控制（p-f）策略，其控制框圖如圖5所示。

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    圖5為無功調(diào)節(jié)的框圖，其傳遞函數(shù)為：

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    由上式可知，加入VSG模型后的無功調(diào)節(jié)與下垂控制的有功調(diào)節(jié)一樣存在積分項(xiàng)，消除穩(wěn)態(tài)時(shí)無功與等效阻抗之間的關(guān)系。由此可見，基于VSG模型的并聯(lián)控制模型克服了無功功率穩(wěn)態(tài)時(shí)和等效阻抗之間的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)很好性能的功率均分。

2.3 虛擬阻抗

    由于常規(guī)逆變器輸出線路呈現(xiàn)出一定的阻性，且在這種低電壓等級(jí)場(chǎng)合，線路所呈現(xiàn)的阻性不可忽略，同時(shí)影響線路的功率耦合?；诖?，在VSG模型后加入虛擬阻抗，降低輸出線路的阻性，增大感性，使感性遠(yuǎn)大于阻性。虛擬阻抗的框圖如圖6所示。

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    VSG產(chǎn)生的虛擬電勢(shì)經(jīng)過一個(gè)較大感性的虛擬阻抗后產(chǎn)生一個(gè)電流信號(hào)。這個(gè)環(huán)節(jié)也可看作是虛擬同步發(fā)電機(jī)自身的同步電感和同步電阻，電阻R可以增強(qiáng)對(duì)輸出電流中高頻震蕩分量的抑制能力。

3 仿真驗(yàn)證

    在MATLAB上搭建上述內(nèi)容的模型，先進(jìn)行單機(jī)運(yùn)行的仿真驗(yàn)證。參數(shù)選擇如表1所示。

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    圖7、圖8（a）為基于VSG的單相逆變器孤島運(yùn)行時(shí)的相關(guān)波形圖，在0.15 s時(shí)使系統(tǒng)負(fù)載跳變。

    上述仿真中，在0.15 s時(shí)給系統(tǒng)一個(gè)負(fù)載跳變，使有功從1.25 kW突變到1.5 kW，無功不變，可以從圖7（a）看出；從圖8（a）看出頻率能夠較好地維持在50 Hz，電壓也能夠很好地穩(wěn)定為有效值220 V標(biāo)準(zhǔn)正弦波，由圖7（b）看出輸出電流的THD為0.8%，符合要求。

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    在此基礎(chǔ)上，對(duì)基于VSG的兩個(gè)單相逆變器進(jìn)行并聯(lián)仿真，主要參數(shù)與單機(jī)運(yùn)行時(shí)相同，線路阻抗分別為0.8+j9.42 Ω、0.4+j3.14 Ω。結(jié)果如圖9所示。

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    從圖8（b）不難看出功率能夠得到較好的均分，兩臺(tái)逆變器的有功功率都能夠穩(wěn)定在1 250 W，在0.15 s時(shí)給一個(gè)負(fù)載跳變，之后兩臺(tái)逆變器還是能夠較好地均分功率并維持正常運(yùn)行。電壓能夠穩(wěn)定在220 V，從圖9看出，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)環(huán)流很小，較傳統(tǒng)控制減小到0.008 A左右，可以忽略，所以單相逆變器基于VSG的并聯(lián)控制方法可以很好地均流和維持電壓和頻率穩(wěn)定。

4 結(jié)論

    基于文獻(xiàn)[10]提出的應(yīng)用于單相逆變器的正弦鎖定器和三相VSG的控制思想，將VSG應(yīng)用于單相逆變器。使其具有同步發(fā)電機(jī)的外特性，能夠?yàn)槲㈦娋W(wǎng)或者孤島運(yùn)行提供必要的電壓和頻率穩(wěn)定環(huán)境。在對(duì)虛擬同步發(fā)電機(jī)理論進(jìn)行分析后，加入虛擬阻抗環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)呈現(xiàn)線路感性，大大降低多逆變器之間線路阻抗對(duì)環(huán)流的影響。仿真結(jié)果表明：基于VSG的單相逆變器并聯(lián)系統(tǒng)具有大慣性，并且能夠提供必要的頻率和電壓支撐。大大提高了微電網(wǎng)運(yùn)行的性能。由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)受限，本文控制方法將在今后的工作中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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作者信息：

黎凡森1，曹太強(qiáng)1，2，陳顯東1，胡  鵬3

（1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都610039；

2.流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西華大學(xué)），四川 成都610039；3.成都麥隆電氣有限公司，四川 成都610500）

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