林永朋，陶 順，肖湘寧

（新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京 102206）

基于補(bǔ)償電流的并聯(lián)逆變器環(huán)流抑制方法

林永朋，陶 順，肖湘寧

（新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京 102206）

為了提高并網(wǎng)逆變器的并聯(lián)運(yùn)行效率和特性，需對(duì)并聯(lián)運(yùn)行的逆變器進(jìn)行環(huán)流抑制。本文基于補(bǔ)償電流法的平均電流控制的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)，對(duì)補(bǔ)償電流的位置及調(diào)節(jié)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使其響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)小，均流效果不受PI調(diào)節(jié)器相移和滯后作用的影響，基波環(huán)流抑制效果更好；考慮到補(bǔ)償電流法主要抑制基波環(huán)流，將補(bǔ)償電流經(jīng)過(guò)低通濾波器，使得補(bǔ)償電流中只含有基波電流分量，消除補(bǔ)償電流中諧波分量對(duì)環(huán)流抑制的影響。外部采用LCL濾波器對(duì)高頻諧波環(huán)流進(jìn)行抑制。仿真結(jié)果表明本文給出的基于補(bǔ)償電流法的平均電流控制對(duì)抑制基波環(huán)流的優(yōu)越性及LCL濾波器對(duì)抑制高頻諧波環(huán)流的有效性。

并聯(lián)逆變器；補(bǔ)償電流；環(huán)流；PI調(diào)節(jié)器；LCL濾波器

0　引 言

分布式電源的大量應(yīng)用和負(fù)載的增加使得平抑功率波動(dòng)的儲(chǔ)能電池系統(tǒng)獲得應(yīng)用，而電池系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)逆變器并聯(lián)以增加其容量和冗余度成為一種發(fā)展趨勢(shì)，但為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和效率，需要解決儲(chǔ)能電池逆變器并聯(lián)運(yùn)行的基波環(huán)流和諧波環(huán)流問(wèn)題。文獻(xiàn)［1 2］對(duì)電壓電流雙閉環(huán)控制的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流特性進(jìn)行了分析，指出了并聯(lián)逆變器輸出電壓的幅值和相位不一致是產(chǎn)生有功環(huán)流和無(wú)功環(huán)流的原因，建立了基于等效輸出阻抗和求解微分方程的環(huán)流特性分析方法。文獻(xiàn)［3 5］通過(guò)分別調(diào)節(jié)并聯(lián)系統(tǒng)各模塊輸出電壓的相位和幅值實(shí)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)有功和無(wú)功環(huán)流功率的抑制。文獻(xiàn)［6 7］采用瞬時(shí)平均電流控制，利用電流總線信號(hào)與自身輸出電流的差，即瞬時(shí)環(huán)流指令來(lái)補(bǔ)償調(diào)節(jié)逆變器的輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)中環(huán)流的抑制。文獻(xiàn)［6］將瞬時(shí)平均電流補(bǔ)償點(diǎn)置于電壓外環(huán)中，然而電壓環(huán)的調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)較電流環(huán)的調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)大，瞬時(shí)環(huán)流補(bǔ)償?shù)男Ч厝皇艿接绊?；文獻(xiàn)［7］雖然將瞬時(shí)平均電流置于時(shí)間常數(shù)較短的電流內(nèi)環(huán)中，將平均電流作為電流環(huán)的參考輸入電流，但忽略了PI調(diào)節(jié)器的相移作用和滯后作用。文獻(xiàn)［8 9］指出了逆變器的輸出阻抗和連接線阻抗對(duì)并聯(lián)環(huán)流的效果會(huì)產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)［10］通過(guò)對(duì)比幾種主從控制策略抑制微網(wǎng)中并聯(lián)逆變器環(huán)流的效果，發(fā)現(xiàn)等電流策略抑制環(huán)流效果最好。文獻(xiàn)［11］比較了LC濾波器和LCL濾波器的阻抗特性，指出并聯(lián)系統(tǒng)中采用LCL濾波器會(huì)有效地抑制參數(shù)差異而帶來(lái)的環(huán)流的影響。

通過(guò)理論和仿真分析發(fā)現(xiàn)：補(bǔ)償電流的位置影響逆變器并聯(lián)均流的效果。分析其原因有兩點(diǎn)：第一，通過(guò)補(bǔ)償電流的方法來(lái)調(diào)節(jié)并聯(lián)均流特性是一個(gè)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，要求其響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)不宜過(guò)大，使得其具有快速的調(diào)節(jié)效果，因此補(bǔ)償電流置于電壓外環(huán)中喪失了調(diào)節(jié)的快速性；第二，PI調(diào)節(jié)器由于調(diào)節(jié)的無(wú)差性常被用于電流內(nèi)環(huán)控制中，但PI調(diào)節(jié)器自身的相移作用和滯后作用是不利于逆變器并聯(lián)瞬時(shí)均流效果實(shí)現(xiàn)的。本文針對(duì)以上兩點(diǎn)內(nèi)容，對(duì)補(bǔ)償電流的位置及調(diào)節(jié)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使其響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)小，均流效果不受PI調(diào)節(jié)器的影響，基波環(huán)流抑制效果更好；考慮到補(bǔ)償電流法主要抑制基波環(huán)流，將補(bǔ)償電流經(jīng)過(guò)低通濾波器，使得補(bǔ)償電流中只含有基波電流分量，消除補(bǔ)償電流中諧波分量對(duì)環(huán)流抑制的影響。外部采用LCL濾波器對(duì)高頻諧波環(huán)流進(jìn)行抑制。最后仿真結(jié)果驗(yàn)證了采用合理位置的補(bǔ)償電流的方法對(duì)減小并聯(lián)系統(tǒng)中以基波為主的低頻環(huán)流的有效性和優(yōu)越性，同時(shí)驗(yàn)證了LCL濾波器對(duì)抑制高頻諧波環(huán)流的有效性。

1　單臺(tái)逆變器的控制原理

2　逆變器并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和分析

圖1　單臺(tái)逆變器控制原理圖

圖2　逆變器并聯(lián)等效電路圖

對(duì)于并聯(lián)的儲(chǔ)能電池，當(dāng)要求其恒功率并網(wǎng)放電時(shí)，由于并網(wǎng)點(diǎn)電壓基本上由電網(wǎng)決定，因此要求其并網(wǎng)總電流恒定。為了避免逆變器并聯(lián)帶來(lái)的環(huán)流問(wèn)題，要求每個(gè)并聯(lián)的逆變器單元的輸出電流相等，即理想電流為

而實(shí)際并網(wǎng)總電流io為各逆變器輸出電流之和，即

整理式（1）和（2）可得各并聯(lián)逆變器的輸出電流與其理想電流之間的誤差，即并聯(lián)環(huán)流為

由圖2可以得到

將（4）式代入到（3）式得

由式（5）可見(jiàn)，使得并聯(lián)的逆變器輸出電流不相等的因素，如逆變器輸出電壓幅值與相位不同、系統(tǒng)中并聯(lián)逆變器的濾波器參數(shù)不一致、并網(wǎng)連接線阻抗不一致等都可能引起并聯(lián)環(huán)流問(wèn)題。

3　控制策略的提出

在一個(gè)逆變器并聯(lián)的系統(tǒng)中，每一個(gè)逆變器可以作為一個(gè)電壓源處理。如果并聯(lián)的逆變器是完全相同的，則輸出電流會(huì)自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)均流。然而，實(shí)際中的電路，逆變器的參數(shù)不會(huì)完全相同，這些參數(shù)差別使得并聯(lián)逆變器交流側(cè)等效電壓不一致而引起輸出電流的不均衡，因此可以把這種參數(shù)差異或者能夠反映這些差異的變量作為對(duì)輸出電流的一種補(bǔ)償。等電流控制對(duì)抑制并聯(lián)逆變器環(huán)流最有效［10］，采用并聯(lián)母線上的平均電流補(bǔ)償方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的等電流控制。

平均電流iaverage的表達(dá)式為

圖3和圖4分別給出了瞬時(shí)并聯(lián)環(huán)流控制的兩種基本框圖。其中并網(wǎng)總電流io經(jīng)過(guò)均流中心處理得到每個(gè)并聯(lián)逆變器期望得到的平均電流iaverage，該平均電流與逆變器各自輸出電流將一起反饋到電壓控制器或電流控制器參與輸出電流的調(diào)整，以減小并聯(lián)逆變器之間的環(huán)流。

圖3　逆變器電壓外環(huán)反饋并聯(lián)環(huán)流控制

圖4　逆變器電流內(nèi)環(huán)反饋并聯(lián)均流控制

為了使圖5（a）中的補(bǔ)償電流參與逆變器輸出電流的調(diào)節(jié)，將補(bǔ)償點(diǎn)位置轉(zhuǎn)移至Aref后的加法器中。如圖5（b）所示，則轉(zhuǎn)移函數(shù)為

由式（8）可以看出，轉(zhuǎn)移函數(shù)與PI控制器的參數(shù)無(wú)關(guān)。

該系統(tǒng)采用LCL的穩(wěn)定性問(wèn)題在文獻(xiàn)［12］中已經(jīng)介紹，此處不再贅述。由于并網(wǎng)逆變器控制的是輸出電流，要求并網(wǎng)輸出電流要嚴(yán)格跟蹤參考電流，因此只考慮i2ref到輸出電流i2的閉環(huán)特性。為了說(shuō)明圖5（d）中補(bǔ)償方式1、2、3的區(qū)別，求得補(bǔ)償電流到輸出電流的傳遞函數(shù)如下：

方式1：

方式2：

方式3：

圖5　帶補(bǔ)償電流的均流控制框圖

從式（9）到式（11）可以看出，不同的補(bǔ)償點(diǎn)，其補(bǔ)償電流到輸出電流的傳遞函數(shù)的不同完全是因?yàn)镻I調(diào)節(jié)器引起的。加入PI調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，PI調(diào)節(jié)器相移作用和滯后作用是不利于逆變器并聯(lián)瞬時(shí)環(huán)流抑制的。方式2補(bǔ)償電流需要經(jīng)過(guò)電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器GI1，盡管內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)小，但仍會(huì)受到PI調(diào)節(jié)器的負(fù)面影響；方式3補(bǔ)償電流會(huì)受到電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙PI調(diào)節(jié)器GI1和GI2的影響，并且電壓外環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)大，導(dǎo)致系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的快速跟蹤控制而影響環(huán)流抑制效果。通過(guò)上面分析和推導(dǎo)可知，方式1無(wú)論是補(bǔ)償電流的調(diào)整函數(shù)還是補(bǔ)償位置，都減小了PI調(diào)節(jié)器對(duì)并聯(lián)瞬時(shí)均流效果的影響。

分析補(bǔ)償電流法的主要作用是改變PWM的調(diào)制信號(hào)進(jìn)而改變逆變器交流側(cè)的輸出電壓，使得在該電壓下并聯(lián)逆變器之間的基波環(huán)流盡可能地減小，將補(bǔ)償電流經(jīng)過(guò)低通濾波器，使得補(bǔ)償電流中只含有基波電流分量，消除補(bǔ)償電流中諧波分量對(duì)環(huán)流抑制的影響。因此圖5中（d）圖的補(bǔ)償電流實(shí)際上是原補(bǔ)償電流經(jīng)過(guò)低通濾波器后輸出的補(bǔ)償電流。

4　仿真驗(yàn)證與分析

4.1控制系統(tǒng)參數(shù)

本文中并聯(lián)逆變器采用LCL濾波器來(lái)抑制高頻諧波環(huán)流；而對(duì)于基波環(huán)流，采用了前文的補(bǔ)償電流法。為了驗(yàn)證上述分析的正確性，在PSCAD/ EMTDC中搭建了如圖2所示的兩臺(tái)逆變器并聯(lián)模型，額定有功功率P=500KW，考慮到并網(wǎng)逆變器交流側(cè)電網(wǎng)電壓和直流電壓的關(guān)系、并網(wǎng)功率波動(dòng)對(duì)直流電壓波動(dòng)的影響等，取直流側(cè)電壓Udc= 700V。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［67］選擇參數(shù)如表1所示。

表1　系統(tǒng)參數(shù)Ω

4.2高頻諧波環(huán)流抑制的驗(yàn)證

并聯(lián)逆變器的環(huán)流問(wèn)題包括基波環(huán)流和高頻諧波環(huán)流兩部分。由于補(bǔ)償電流中以基波電流成分為主，因此本文給出的補(bǔ)償電流方法是主要解決基波環(huán)流問(wèn)題的，而對(duì)于高頻諧波環(huán)流，則采用了LCL濾波器來(lái)抑制［11］，LCL濾波器的應(yīng)用才導(dǎo)致了控制結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，因此有必要對(duì)LCL濾波器對(duì)高頻諧波環(huán)流的抑制作用進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6　不同濾波器時(shí)并聯(lián)逆變器的輸出電流及環(huán)流

圖6給出了LCL濾波器和LC濾波器兩種濾波器下并聯(lián)逆變器的輸出電流及環(huán)流波形，其中LC濾波器的電感值等于LCL濾波器的總電感值，濾波電容等于LCL濾波器的電容值，LC濾波器采用電容電流的反饋控制。為了更清晰地看出環(huán)流電流中各分量的變化，將諧波環(huán)流中各次（6K±1）電流分量的大小整理于表2中，從中可以看出，由于LCL濾波器與LC濾波器對(duì)低頻分量都呈現(xiàn)單電感特性，兩種濾波器總電感量相等，因此低頻環(huán)流分量相差不大；而LCL濾波器在轉(zhuǎn)折頻率（?= 1 050Hz，對(duì)應(yīng)21次諧波）后對(duì)高頻分量呈現(xiàn)高阻抗特性，對(duì)高頻諧波環(huán)流起到抑制作用，因此環(huán)流中高頻分量比LC濾波器下的高頻分量小，證明了并聯(lián)系統(tǒng)中采用LCL濾波器會(huì)有效地抑制參數(shù)差異而帶來(lái)的高頻環(huán)流的影響。

表2　兩種濾波器下的環(huán)流電流分量幅值A(chǔ)

4.3基波環(huán)流抑制的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文給出的補(bǔ)償方式能夠更好抑制并聯(lián)基波環(huán)流效果，對(duì)本文給出的環(huán)流控制策略（圖5（d）中方式1與推導(dǎo)本文策略所用的另外兩種補(bǔ)償電流的控制方式（圖5（d）中方式2和3）進(jìn)行了仿真對(duì)比分析，其結(jié)果如圖7所示。從圖7（a）中可以看出，本文中給出的控制策略能夠滿(mǎn)足并聯(lián)逆變器高功率因數(shù)并網(wǎng)的要求。從圖7（b）～7（d）3個(gè)不同控制下的環(huán)流波形對(duì)比可以看出，本文中給出的控制策略由于補(bǔ)償電流未經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器，具有快速響應(yīng)能力而使得均流的效果更好。

為了更清楚地看出環(huán)流中基波分量的變化，將3種控制方式下環(huán)流中各次電流分量的大小整理于表3中。可以清晰地看出：以基波為主的低頻分量相差較大，而高頻分量相差較小，說(shuō)明補(bǔ)償電流改善并聯(lián)均流的實(shí)質(zhì)是改善以基波為主的低頻分量，并且采用本文給出的控制方式1下的逆變器，并聯(lián)環(huán)流中基波環(huán)流幅值最小，均流效果更好。

表3　3種補(bǔ)償電流方式控制下的環(huán)流分量幅值A(chǔ)

圖7　不同控制方式下的仿真波形

圖8　不同情況下并聯(lián)逆變器交流側(cè)輸出電壓之差

5　結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析了逆變器并聯(lián)環(huán)流產(chǎn)生的原因，針對(duì)現(xiàn)有的平均電流補(bǔ)償方法需要經(jīng)過(guò)電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器，導(dǎo)致其均流控制效果受到影響。在此基礎(chǔ)上，本文將補(bǔ)償電流的位置和補(bǔ)償電流的調(diào)節(jié)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使其不受PI調(diào)節(jié)器相移和滯后作用的影響；考慮到補(bǔ)償電流法主要抑制基波環(huán)流，將補(bǔ)償電流經(jīng)過(guò)低通濾波器，使得補(bǔ)償電流中只含有基波電流分量，消除補(bǔ)償電流中諧波分量對(duì)環(huán)流抑制的影響。補(bǔ)償電流的方法抑制了并聯(lián)環(huán)流中以基波為主的低頻分量的環(huán)流，而利用LCL濾波器來(lái)抑制高頻分量的諧波環(huán)流。最后仿真結(jié)果驗(yàn)證了采用本文中基于合理位置的補(bǔ)償電流方法對(duì)減小并聯(lián)系統(tǒng)中以基波為主的低頻環(huán)流的有效性和優(yōu)越性，同時(shí)驗(yàn)證了LCL濾波器會(huì)有效地抑制高頻諧波環(huán)流的有效性。

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（責(zé)任編輯:楊秋霞）

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，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量治理及新能源微網(wǎng)技術(shù)，E-mail：lypwxs19890703@163.com；

陶 順（1972—），女，副教授，研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)及電能質(zhì)量評(píng)估與治理；

肖湘寧（1953—），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量治理、現(xiàn)代電力電子技術(shù)等。

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2011BAA01B03）