周繼紅，槐博超，陳雪亮

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逆變器無(wú)互聯(lián)并聯(lián)系統(tǒng)中環(huán)流抑制策略的研究

周繼紅1，槐博超2，陳雪亮2

（1. 蘭州理工大學(xué)，蘭州 730050；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

逆變器無(wú)互聯(lián)線并聯(lián)系統(tǒng)中，采用傳統(tǒng)的PQ下垂控制法往往會(huì)引起動(dòng)態(tài)性能的問(wèn)題。其中最嚴(yán)重的問(wèn)題是在調(diào)節(jié)過(guò)程中會(huì)引起逆變器輸出電壓的相位滯后。本文對(duì)傳統(tǒng)下垂控制特性的局限性進(jìn)行仔細(xì)分析，研究了一種雙下垂特性控制方案。此控制方案解決了逆變器輸出電壓的相位滯后問(wèn)題，同時(shí)對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)功率均分影響不大，并且對(duì)環(huán)流也有較強(qiáng)的抑制能力以及使負(fù)載電流均分。

PQ下垂特性 逆變器 并聯(lián)系統(tǒng) 環(huán)流

0 引言

逆變器并聯(lián)是提高電源系統(tǒng)容量和可靠性的一種有效方式。一般的逆變器并聯(lián)都屬于有互聯(lián)線控制，但是有互聯(lián)線控制存在控制互聯(lián)線上干擾的引入、并聯(lián)逆變器之間的位置限制等缺陷[1]。因此一些學(xué)者提出了逆變器無(wú)互聯(lián)線并聯(lián)的研究，其中絕大多數(shù)研究方案都是基于PQ下垂控制這種傳統(tǒng)的下垂特性控制方案來(lái)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)逆變器之間的并聯(lián)[2]。這種傳統(tǒng)的下垂特性控制方案可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)逆變器之間的無(wú)互聯(lián)線并聯(lián)，并且不會(huì)限制各臺(tái)逆變器之間的位置，但是在調(diào)壓與調(diào)頻的過(guò)程中，很容易導(dǎo)致引起逆變器輸出電壓的相位滯后，引起系統(tǒng)的振蕩。本文針對(duì)傳統(tǒng)的下垂特性控制在逆變器無(wú)互聯(lián)線并聯(lián)中存在的輸出電壓相位滯后問(wèn)題而提出一種雙下垂控制策略。這種控制方案中，兩個(gè)下垂控制器“分工合作”，一個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)功功率來(lái)確保兩臺(tái)逆變器輸出電壓幅值相同，一個(gè)主要用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的相位變化最終消除逆變器輸出電壓的相位滯后。通過(guò)仿真驗(yàn)證了這種控制策略。

1 逆變器并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流分析

圖1 兩臺(tái)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)等效電路

逆變器1的輸出電流和逆變器2的輸出電流如下：

4）當(dāng)兩臺(tái)逆變器的輸出電壓的幅值相同而輸出阻抗和功率角不同時(shí)，即：

此時(shí)并聯(lián)系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)流為：

5）當(dāng)兩臺(tái)逆變器的功率角相同而輸出阻抗和輸出電壓的幅值不同時(shí)，即：

此時(shí)并聯(lián)系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)流為：

6）當(dāng)兩臺(tái)逆變器的輸出阻抗相同而功率角和輸出電壓的幅值不同時(shí)，

由以上六種環(huán)流形式可知：通過(guò)PQ下垂控制中的有功功率和無(wú)功功率最終可以使并聯(lián)系統(tǒng)中的逆變器輸出電壓的幅值和逆變器的功率角保持一致，從而因逆變器的輸出電壓的幅值和逆變器的功率角不同引起的環(huán)流可以抑制，甚至可以消除。然而通過(guò)仿真得出傳統(tǒng)PQ下垂控制策略容易引起逆變器輸出電壓的相位滯后，并且因輸出阻抗不同而引起的環(huán)流形式由傳統(tǒng)的PQ下垂控制不容易抑制。因此必須找到一種新的下垂控制策略，既能防止調(diào)解過(guò)程中逆變器輸出電壓的相位滯后，保證并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓達(dá)到預(yù)期目的；又能將由輸出阻抗不同而產(chǎn)生的環(huán)流控制在一定的范圍內(nèi)，保證其不會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性；并且能夠達(dá)到并聯(lián)系統(tǒng)均流的目的。

2 逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的下垂特性分析

2.1傳統(tǒng)的下垂控制特性分析

當(dāng)輸出阻抗為非線性阻抗時(shí)，即其感性分量和阻性分量都不能忽略，此時(shí)逆變器輸出電壓的幅值和頻率同時(shí)影響其輸出有功功率和無(wú)功功率,這時(shí)逆變器輸出電壓幅值和頻率由輸出有功功率和無(wú)功功率共同調(diào)節(jié)。則逆變器輸出電壓幅值和頻率下垂法的統(tǒng)一控制公式如下：

由以上分析可知：有功功率、無(wú)功功率與輸出電壓頻率、幅值之間是兩兩耦合的關(guān)系[3,4]。由于P、Q和輸出電壓幅值及相位之間存在這種耦合關(guān)系，因此傳統(tǒng)的PQ下垂控制在調(diào)節(jié)輸出電壓幅值時(shí)會(huì)使輸出電壓相位滯后。

2.2改進(jìn)的下垂控制

為了解決傳統(tǒng)下垂控制對(duì)輸出電壓相位滯后的問(wèn)題，本文研究了一種雙下垂控制方式，控制原理如圖2所示。

圖2 改進(jìn)下垂控制原理圖

這種雙下垂控制方式一個(gè)用來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)功功率來(lái)保證輸出電壓幅值相同，一個(gè)主要用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的相位的變化最終消除逆變器輸出電壓的相位滯后。并且這種方案能夠減小因輸出阻抗不同而產(chǎn)生的環(huán)流，提高了功率均分的精度。雙下垂控制的控制方程為：

其中k為有功功率補(bǔ)償系數(shù)。

圖3為加入有功功率補(bǔ)償系數(shù)后系統(tǒng)波特圖。從上圖可以看出系統(tǒng)相對(duì)增益維持在0 dB。下圖可以得出相對(duì)增益以每倍頻程12 dB的斜率下降，過(guò)渡帶比較平滑。從圖4中可以看出加了外環(huán)控制后系統(tǒng)穿越頻率有了下降，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且在低頻段沒(méi)有衰減。因此加入改進(jìn)的下垂控制后系統(tǒng)穩(wěn)定性不受影響。

圖3 加入有功功率補(bǔ)償系數(shù)后系統(tǒng)波特圖

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，本文在Matlab—simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真驗(yàn)證。驗(yàn)證參數(shù)如下：雙下垂控制策略中，k= k= k= k=0.005，k=0.0032。則將雙下垂控制策略加入逆變器并聯(lián)系統(tǒng)后，逆變器輸出電壓電流如圖4所示，從圖中可以看出加入有功功率補(bǔ)償系數(shù)后逆變器輸出電壓電流穩(wěn)定性所受影響不大。

圖4下垂控制器改進(jìn)后的逆變器輸出電壓波形

圖5負(fù)載突增一倍后的逆變器輸出電壓和電流

圖5為兩臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行到0.03 s時(shí)負(fù)載從100 Ω突增到200 Ω后的逆變器輸出電壓和輸出電流波形。從圖中可以看出，加入改進(jìn)環(huán)流抑制策略后負(fù)載突加（或突減）時(shí)能夠達(dá)到負(fù)載電流均分，而輸出電壓不受影響，而且負(fù)載突增（或突減）時(shí)并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不會(huì)發(fā)生改變。

4 結(jié)論

在逆變器無(wú)互聯(lián)線并聯(lián)中，傳統(tǒng)的下垂特性控制存在的各種問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題本文研究了一種雙下垂控制策略。通過(guò)仿真驗(yàn)證可知，這種雙下垂控制策略加入逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中能夠消除逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的輸出電壓相位滯后不僅不會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，還能夠抑制因輸出阻抗不同而產(chǎn)生的環(huán)流，從而提高了功率均分的精度，達(dá)到了逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)均流的目的。

圖6 逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流

[1] 林新春, 段善旭, 康勇, 陳堅(jiān). UPS無(wú)互聯(lián)線并聯(lián)中基基于解耦控制的下垂特性控制方案[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2003, 23(12): 117-122.

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[5] 周玉柱, 茆關(guān)琴, 蘇建徽. 基于功率下垂特性的逆變器無(wú)線并聯(lián)控制技術(shù)[J]. 電力電子技術(shù), 2007, 41(4): 9-11.

[6] 周玉柱, 茆關(guān)琴, 蘇建徽. 基于功率下垂特性的逆變器無(wú)線并聯(lián)控制技術(shù)[J]. 電力電子技術(shù), 2007, 41(4): 9-11.

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Circular Current Suppression Strategy of Parallel Connected Inverters without Interconnections

Zhou Jihong1, Huai Bochao2, Chen Xueliang2

(1. Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM464

A

1003-4862（2014）08-0039-04

2014-01-09

周繼紅(1987-)，男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。