潘 健，陳鳳嬌，劉孫德，張 琦

(湖北工業(yè)大學(xué)太陽能高效利用及儲能運(yùn)行控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

隨著傳統(tǒng)化石能源的枯竭，利用綠色能源的分布式發(fā)電技術(shù)逐漸成為了當(dāng)下的研究熱點(diǎn)，而微電網(wǎng)作為利用分布式電源(distributed generation，DG)的重要途徑更是備受關(guān)注[1-3]。微電網(wǎng)是將分布式電源、儲能設(shè)備、負(fù)載以及控制裝置有效整合的微型電力系統(tǒng)，一般可工作在連接大電網(wǎng)的并網(wǎng)模式，也可斷開大電網(wǎng)工作，實(shí)現(xiàn)自治的孤島模式[4]。在交流微網(wǎng)中分布式電源一般通過電壓源型逆變器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，為使逆變器能工作在微電網(wǎng)的兩種模式下，逆變器多采用模仿傳統(tǒng)電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的下垂控制。采用下垂控制的DG并網(wǎng)逆變器可等效成一個(gè)受控電壓源與一個(gè)輸出阻抗串聯(lián)形式[5]。但隨著分布式電源在微網(wǎng)中的滲透率越來越高，微電網(wǎng)的系統(tǒng)慣量越來越小[6]。特別是孤島模式下的微電網(wǎng)失去了大電網(wǎng)的支撐后，DG并網(wǎng)逆變器輸出電壓易受負(fù)載變動和不平衡負(fù)載的影響，導(dǎo)致DG輸出電能質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)迫使該DG退出微電網(wǎng)。

為解決該問題，國內(nèi)外學(xué)者展開了深入研究。文獻(xiàn)[5]首先通過消除dq坐標(biāo)下DG并網(wǎng)逆變器電壓電流雙閉環(huán)與LC濾波環(huán)節(jié)之間的冗余項(xiàng)，從而簡化控制環(huán)得到DG并網(wǎng)逆變器的戴維南等效模型，并利用多重比例諧振控制減小了由不平衡負(fù)載造成的電流高次諧波；但該方法不適用于多臺DG并網(wǎng)逆變器并聯(lián)的微電網(wǎng)。文獻(xiàn)[7]通過分析發(fā)現(xiàn)：減小等效輸出阻抗值能有效減輕負(fù)載投切對輸出電壓波形造成的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了電感電流前饋控制；該方法雖減輕了負(fù)載投切對輸出電壓的影響，但為減少傳感器數(shù)量而將流經(jīng)虛擬阻抗的電流改為電感電流，顯然違背電路常理。文獻(xiàn)[8]通過對比在電流環(huán)參考輸入前分別加入電容電流前饋和電感電流前饋，發(fā)現(xiàn)在低頻段添加電容電流前饋的輸出阻抗值較小，且電容電流內(nèi)環(huán)可反映負(fù)載變化，但電容電流前饋控制需要額外的信號處理裝置。文獻(xiàn)[9]同時(shí)采用參考電壓前饋和負(fù)載電流前饋控制，并對采用負(fù)載電流前饋控制的電壓、電流環(huán)的傳遞函數(shù)分別進(jìn)行頻率特性分析，發(fā)現(xiàn)在采用負(fù)載電流前饋控制后負(fù)載對系統(tǒng)閉環(huán)傳函的影響減小，但該文未考慮不平衡負(fù)載對控制系統(tǒng)的影響。在平均電流控制的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[10]在電流限幅器后加入負(fù)載電流前饋控制使得輸出電壓外特性變硬，但文章仍未考慮非線性負(fù)載對輸出電壓的影響。從前人的研究中發(fā)現(xiàn)：在雙閉環(huán)中的電流內(nèi)環(huán)前增加電流前饋可有效減小輸出阻抗值，但如何兼顧不平衡負(fù)載以及不增加額外的電流傳感器、數(shù)字信號處理器的控制策略仍值得研究。

本文提出一種DG并網(wǎng)逆變器電壓電流雙閉環(huán)控制的改進(jìn)策略，該策略在傳統(tǒng)電壓電流雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上添加了經(jīng)過低通濾波器的負(fù)載電流前饋控制，從而減小了DG并網(wǎng)逆變器輸出阻抗大小，進(jìn)而提高了輸出電壓穩(wěn)定性。本文首先介紹了采用傳統(tǒng)電壓電流雙閉環(huán)控制的并網(wǎng)逆變器等效模型，并且分析了輸出阻抗對逆變器輸出電壓動態(tài)變化的影響；其次詳細(xì)闡明了所改進(jìn)的負(fù)載電流前饋控制策略；最后通過對比傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制與改進(jìn)策略的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了改進(jìn)策略的有效性與優(yōu)越性。

1 并網(wǎng)逆變器傳統(tǒng)控制

圖1為多個(gè)分布式電源并聯(lián)的交流微電網(wǎng)圖，分布式電源發(fā)出的直流電被逆變器變換成交流電后經(jīng)傳輸線路接入微電網(wǎng)公共耦合點(diǎn)(Point of Common Coupling , PCC)，并通過靜態(tài)開關(guān)(static transfer switch , STS)實(shí)現(xiàn)與微電網(wǎng)的連接或斷開。微電網(wǎng)中的負(fù)載一般分為直接連接分布式電源的本地負(fù)載和連接在PCC處的公共負(fù)載兩種形式。圖2a為DG并網(wǎng)逆變器的主電路圖，逆變器輸出的電壓需經(jīng)LC濾波器濾波才能得到適用負(fù)載的電壓，其中Lf、Cf分別表示濾波電感、濾波電容，傳輸線路阻抗Zg=R+jX。

圖 1 多個(gè)分布式電源并聯(lián)的微電網(wǎng)示意圖

(a)DG并網(wǎng)逆變器的主電路圖

1.1 下垂控制

并網(wǎng)逆變器的下垂控制模仿同步發(fā)電機(jī)的外特性可根據(jù)輸出功率自動調(diào)節(jié)輸出電壓和頻率，且可工作在微電網(wǎng)的并網(wǎng)模式和孤島模式下。由于在低壓微電網(wǎng)中線路阻抗主要呈阻性[7]，因此DG并網(wǎng)逆變器采用有功-電壓、無功-頻率下垂控制，具體形式如下：

其中V、ω分別表示下垂控制輸出參考電壓的幅值和角頻率，而Vo表示額定輸出電壓幅值，ω0表示額定輸出電壓角頻率。Pi、Qi分別表示逆變器實(shí)際輸出有功、無功功率，而Po、Qo分別表示逆變器額定輸出有功、無功功率。m表示有功下垂系數(shù)，V/W；n表示無功下垂系數(shù)，Hz/var。

1.2 虛擬阻抗控制

各分布式電源與微電網(wǎng)之間的線路阻抗存在差異，使得各逆變器輸出電壓在線路阻抗上產(chǎn)生的電壓跌落不同，進(jìn)而導(dǎo)致P-V下垂控制無法精確分配負(fù)載有功功率。為了減小各逆變器線路阻抗差異對負(fù)載功率分配的影響，可采用虛擬阻抗控制。虛擬阻抗控制是在DG并網(wǎng)逆變器控制環(huán)節(jié)添加虛擬阻抗Rv，模擬在真實(shí)線路中串/并聯(lián)阻抗改變線路等效阻抗值的做法；值得注意的是虛擬阻抗的加入同樣會引起下垂控制輸出參考電壓Edq的跌落，添加虛擬阻抗后電壓環(huán)的參考值

urdq=Edq-iodqRv

1.3 電壓電流雙閉環(huán)控制

電壓電流雙閉環(huán)控制一般采用電壓外環(huán)內(nèi)嵌電流內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，同時(shí)使得內(nèi)環(huán)動態(tài)響應(yīng)速度要遠(yuǎn)快于外環(huán)?？紤]到雙閉環(huán)控制采用了PI調(diào)節(jié)器，而三相橋式逆變器輸出的電壓、電流均為三相交變量，想要消除穩(wěn)態(tài)誤差則需先將三相物理量轉(zhuǎn)換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下。三相靜止abc坐標(biāo)下與兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)下的物理量說明：ioabc、iodq表示逆變器輸出電流；uoabc、uodq表示逆變器輸出電壓；iLabc、iLdq表示逆變器輸出電感電流；uabc表示三相橋式逆變器橋臂電壓；E∠φ、Edq表示下垂控制輸出參考電壓；urdq、irdq分別表示電壓環(huán)的參考值和電流環(huán)的參考值。

其中電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)GiL(s)=kpi+kii/s，電壓環(huán)外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)

Guo(s)=kpv+kiv/s。

2 并網(wǎng)逆變器等效模型分析

2.1 并網(wǎng)逆變器戴維南等效模型

從圖2b中能夠看出電流內(nèi)環(huán)的前饋解耦量與LC濾波環(huán)節(jié)的耦合項(xiàng)可以抵消，消除電流內(nèi)環(huán)冗余項(xiàng)后得到電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

此時(shí)電壓電流雙閉環(huán)控制框圖見圖3a。

由于電流內(nèi)環(huán)的動態(tài)響應(yīng)速度要遠(yuǎn)快于電壓外環(huán)，因此在考慮電壓外環(huán)控制時(shí)將電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)視為1，此時(shí)圖3a中的電壓外環(huán)前饋解耦量便能與LC濾波環(huán)節(jié)的耦合項(xiàng)抵消，消除電壓外環(huán)中冗余項(xiàng)后得到電壓外環(huán)的最終前饋傳遞函數(shù)Guc(s)=Gic(s)·Guo(s)，此時(shí)電壓電流雙閉環(huán)控制框圖見圖3b。

圖 3 dq坐標(biāo)下電壓電流雙閉環(huán)控制簡圖

根據(jù)圖3b可以推算出電壓電流環(huán)的整體閉環(huán)傳遞函數(shù)如下：

根據(jù)上式可以得到DG并網(wǎng)逆變器的戴維南等效模型見圖4a。其中受控電壓源的約束函數(shù)

逆變器輸出阻抗

由于虛擬阻抗同樣能引起下垂控制輸出參考電壓的跌落，因此在研究并網(wǎng)逆變器的戴維南等效模型需考慮虛擬阻抗的存在，考慮虛擬阻抗控制的并網(wǎng)逆變器戴維南等效模型見圖4b。其中考慮虛擬阻抗后新的逆變器輸出阻抗

圖 4 DG并網(wǎng)逆變器戴維南等效模型

ZD(s)=G(s)Rv+Zo(s)

2.2 并網(wǎng)逆變器輸出阻抗分析

由DG并網(wǎng)逆變器戴維南等效模型可以得出逆變器輸出電壓

uodq=G(s)Edq-ZD(s)iodq

根據(jù)上式可知，在孤島模式下微電網(wǎng)中逆變器失去了大電網(wǎng)的支撐，其輸出電壓易受外界負(fù)載影響。文獻(xiàn)[7]通過對比ZD(s)與Zo(s)的伯德圖發(fā)現(xiàn)：在低頻段ZD(s)與Zo(s)的幅頻特性曲線基本重合，因此在低頻段可由Zo(s)代替ZD(s)；此外，該文章通過分析并網(wǎng)逆變器的小信號模型發(fā)現(xiàn)，當(dāng)減小逆變器輸出阻抗時(shí)控制系統(tǒng)的動態(tài)性能與穩(wěn)定性都得以提升。綜上所述，為減小負(fù)載變動對逆變器輸出電壓穩(wěn)定性的影響，可減小逆變器輸出阻抗值。

3 電壓電流雙閉環(huán)改進(jìn)控制策略

3.1 改進(jìn)控制策略等效模型

為減小逆變器輸出阻抗，本文提出了一種并網(wǎng)逆變器電壓電流雙閉環(huán)改進(jìn)控制策略。該策略是將逆變器輸出電流經(jīng)過前饋增益返回至電流內(nèi)環(huán)控制的參考輸入前，考慮到DG并網(wǎng)逆變器可能外接不平衡負(fù)載導(dǎo)致逆變器輸出電流含有高次諧波，因此在輸出電流前饋前需通過一低通濾波器。具體控制框圖見圖5，其中LPF表示一低通濾波器，其截止頻率為ωc；kp表示逆變器輸出電流前饋增益。

圖 5 電壓電流雙閉環(huán)改進(jìn)控制策略

從圖5中可以看出增加輸出電流前饋后，電流內(nèi)環(huán)的等效傳遞函數(shù)不變，仍為Gic(s)。為保證逆變器等效模型中受控電壓源的約束函數(shù)不變，可將輸出電流前饋接入點(diǎn)后移，得到電壓電流雙閉環(huán)改進(jìn)控制策略的控制框圖(圖6a)，其中逆變器輸出電流的傳遞函數(shù)Gio(s)如式(1)所示。

(1)

由于在低頻段可用Zo(s)代替ZD(s)，因此采用改進(jìn)控制策略后逆變器的戴維南模型如圖6a所示，其中改進(jìn)后輸出阻抗

3.2 改進(jìn)控制策略理論分析

改進(jìn)并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)控制前后輸出阻抗之比

表1 DG并網(wǎng)逆變器主電路參數(shù)

表2 DG并網(wǎng)逆變器控制電路參數(shù)

由圖7可得，在傳統(tǒng)電壓電流雙閉環(huán)中添加輸出電流前饋后，逆變器輸出阻抗在工頻段的值要比改進(jìn)前的阻抗值小。

圖 7 控制策略改進(jìn)前后輸出阻抗伯德圖

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)控制策略的有效性，按圖1所示在MATLAB中搭建了兩臺逆變器并聯(lián)模型，具體電路參數(shù)按表1、表2設(shè)置。其中DG1并網(wǎng)逆變器采用傳統(tǒng)電壓電流輸出閉環(huán)控制，其輸出電壓為u1；而DG2并網(wǎng)逆變器采用添加輸出電流前饋的改進(jìn)控制策略，輸出電壓為u2，仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖 8 0.2 s投入負(fù)載后逆變器輸出電壓波形

圖 9 0.6 s切除負(fù)載后逆變器輸出電壓波形

圖8為在0.2 s時(shí)分別給DG1、DG2增加10 kW+j5 kvar的恒功率本地負(fù)載后逆變器輸出電壓波形，從圖8中明顯看出當(dāng)0.2 s突增負(fù)載時(shí)DG1、DG2并網(wǎng)逆變器輸出電壓都下降了，但采用改進(jìn)控制策略的并聯(lián)逆變器輸出電壓u2能夠迅速恢復(fù)原平衡狀態(tài)，受負(fù)載干擾較小。圖9為在0.6 s時(shí)切除5 kW+j3 kvar的恒功率公共負(fù)載后逆變器輸出電壓波形，從圖9中不難看出：當(dāng)0.6 s突然切除公共負(fù)載時(shí)DG1、DG2并網(wǎng)逆變器輸出電壓都增大了，但采用改進(jìn)控制策略的并聯(lián)逆變器輸出電壓u2能夠較為迅速地恢復(fù)原平衡狀態(tài)，受負(fù)載干擾較小。

5 結(jié)論

本文提出了一種并網(wǎng)逆變器電壓電流雙閉環(huán)改進(jìn)控制策略，通過在電流內(nèi)環(huán)的參考輸入前加入逆變器輸出電流前饋來減小并網(wǎng)逆變器輸出阻抗值，減輕了孤島模式下微電網(wǎng)中負(fù)載動態(tài)變化對輸出電壓的影響，提高了輸出電壓的外特性。此外，因輸出電流前饋前經(jīng)過低通濾波器，在一定程度上削弱了不平衡負(fù)載接入對輸出電壓的影響。對傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制與改進(jìn)控制策略進(jìn)行了仿真對比，結(jié)果證明了改進(jìn)控制策略的優(yōu)越性。值得一提的是，對比圖7與圖8發(fā)現(xiàn)：并網(wǎng)逆變器輸出電壓更易受本地負(fù)載動態(tài)變化影響。下一步研究將專注于如何改進(jìn)控制策略，以提高逆變器輸出電壓對本地負(fù)載的抗干擾性。