微网逆变器无缝切换控制策略研究 ①

曹 刚， 宋佳宸， 郑雪梅

(1.浪潮集团黑龙江公司，黑龙江 哈尔滨 150060；2.哈尔滨工业大学电气学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

随着化石能源消耗加剧，大量可再生能源通过分布式发电的形式接入电网，而并网逆变器作为分布式发电系统与大电网之间的纽带装置，对其运行控制策略进行深入研究具有十分重要的意义。

分布式发电系统广泛采用的远距离输出模式使电网呈现高阻抗的弱电网特性，文献[1]分析指出在电网阻抗不能忽略的弱电网情况下，锁相环会通过公共耦合点(Point of Common coupling，PCC)电压与电流控制环路产生耦合，从而造成不稳定现象，但是没有给出严格的理论分析。文献[2]通过对锁相环锁相原理进行分析，得出弱电网下锁相环与电网阻抗存在很强的耦合关系，并证明这种耦合关系随着锁相环(PLL)带宽的增加加剧。针对弱电网下锁相环造成并网逆变器不稳定的问题，文献[3]在详细分析PLL参数对并网逆变器稳定性的影响后，提出在不同的电网环境下根据系统稳定的相角裕度要求来设计PLL参数的方法，为锁相环参数设计和优化提供了参考。文献[4-5]证明了修改传统PLL的同步机制可以扩展并网逆变器在弱电网下的稳定范围，因此提出在PLL中引入虚拟阻抗以抵消电网阻抗，从而并网逆变器等效为通过PCC点与强电网相接。但是这些文献均保留了PLL环节，不能从根本上解决问题，因此文献[6]提出无PLL的直接功率控制方法，在两相静止坐标系中通过给定有功/无功功率与采样的电网电压做除法运算得到电流参考值，从而使得到的电流给定值包含电网频率信息。文献[7-8]提出功率同步控制方法，其在稳态时用功率同步环节测量PCC点电压频率信息取代PLL同步环节，以消除PLL给并网逆变器带来的负面影响。但是上述无PLL控制策略的文献提出的主要针对恒功率控制的并网逆变器，对于直流电压型并网逆变器的控制策略并不能良好的适用。

为此，本文针对具有多能互补的系统采用具有自同步功能的直流母线电压/无功功率控制(DC bus voltage and reactive power control type, DCVQ)型并网逆变器[11-12]，设计针对分布式发电系统中经常出现的离并网切换工况，为了保持DCVQ型逆变器的不需要PLL的优势，采用了一种基于虚拟功率的预同步控制策略来实现自同步控制策略下的并网逆变器离并网无缝切换[13-16]，所采用的预同步策略在Plecs仿真平台加以验证。

1 锁相环对并网逆变器稳定性负面影响机理分析

根据文献[1]和[2]，弱电网下并网逆变器稳定性会随着PLL带宽的增加而降低，下面对这种现象给出具体的理论分析。首先以传统的电流矢量控制为例分析锁相环对并网逆变器稳定性产生负面影响的原因，其整体系统结构图如图1所示。

图1 电流矢量控制系统结构图

图中，Uin为直流母线侧电压；La为逆变器输出滤波电感、Lb为电网侧滤波电感、C0逆变器滤波电容；R0是串联阻尼电阻；Z为电网线路阻抗；ii(i=1,2,3)为三相输出电流；ei(i=1,2,3)为三相输出电压；ui(i=1,2,3)为PCC点三相电压；ugi(i=1,2,3)为三相电网电压，ci(i=1,2,3)为控制环路输出的三相调制信号。

根据文献[9]，[10]已知，考虑锁相环的情况下，并网逆变器的正、负序输出阻抗Zp(s)和Zn(s)分别为式(1)和式(2)所示：

(1)

(2)

式中，Hi(s)(i=d,q)分别为电流环调节器；Gv(s)为电压采样延时环节传函；Gi(s)为电流采样延时环节传函；θPLL为电网电压实时相角。

Ra(s)=L1s+L2s+L1L2Cfs3/(CfRds+1)，Rb(s)=1+L1Cfs2/(CfRds+1)，

H(s)=Hi(s-j2πf1)+U1/(KmUdce-1.5sTsI1ejφi1)。

若忽略PLL，并网逆变器的正、负序输出阻抗Zi_p(s)和Zi_n(s)如下式(3)和(4)所示：

(3)

(4)

为便于讨论锁相环对正负序阻抗的影响，本文定义PLL正负序等效阻抗ZPLL_p(s)和ZPLL_n(s)分别如下式(5)和(6)所示：

(5)

(6)

通过对式(1)和(3),(2)和(4)进行比较，可以看出并网逆变器考虑PLL的正、负序输出阻抗Zp(s),Zn(s)可以表示成Zi_p(s),Zi_n(s)和ZPLL_p(s)，ZPLL_n(s)并联，即如式(7)和(8)所示。

(7)

(8)

由此分析，引入PLL等效于在并网逆变器输出阻抗中并联一个阻抗，本文将其定义为PLL等效阻抗。对此，本文绘制了PLL等效阻抗的频率特性曲线，直观分析其对并网逆变器输出阻抗的影响，其频率特性曲线如图2所示。

图2 锁相环正负序等效阻抗频率特性曲线

由图2可知，PLL正、负序等效阻抗的相位在低频段接近负180度，等同于并网逆变器的输出阻抗上并联一个负阻尼，其引入造成并网逆变器输出阻抗幅值的大幅减小、相位降低。而弱电网的阻抗往往具有较大的幅值和感性相位。由此分析，逆变器输出阻抗幅值的减小将使系统的环路增益增大，输出阻抗相位的降低将使系统的相位裕量减小，在弱电网条件下，PLL幅频曲线随着PLL带宽的增加而降低，相频曲线负阻尼区域会逐步增大，这会进一步加剧PLL对并网逆变器稳定性的负面影响。这会对并网逆变器的稳定性造成负面影响。

2 多能互补下DCVQ自同步无缝切换控制

本文采用的具有自同步功能的DCVQ型逆变器可以等效成电压源，当DCVQ型并网逆变器工作在孤岛运行模式时，逆变器输出电压与电网电压的幅值、频率以及相位会产生偏差，如果强行并网，会产生冲击电流，导致并网失败甚至损坏逆变器电路。为保持DCVQ可以无锁相环运行的优势，本文采用了一种基于虚拟功率的并网补偿策略来实现DCVQ型并网逆变器的无缝切换[17-20]。

2.1 基于虚拟功率的DCVQ自同步原理

加入虚拟功率的并网逆变器并网模型图如图3所示。

图3 加入虚拟阻抗的并网逆变器并网模型

图中，Upcc和θpcc分别为逆变器侧PCC点电压幅值与相位，Ug和θg分别为电网侧电压幅值与相位，Sg是并网开关，Pv及Qv分别为虚拟的有功和无功功率，Zv为并网开关Sg两侧的虚拟阻抗，由虚拟电阻Rv和虚拟电感Lv组成。虚拟阻抗角用αv表示，由此虚拟阻抗Zv与虚拟阻抗角αv可如式(9)所示。

(9)

虚拟阻抗Zv输送的虚拟有功功率Pv和无功功率Qv可如式(10)所示：

(10)

由式(10)可知，从Pv的影响结果上来看，电压相位之间的差距影响远大于电压相位之间的差距。因此设计控制Pv输出相位，进行相位角度的补偿。控制Qv进行电压幅值的补偿。通过 (9)、(10)，可得虚拟阻抗角αv应该置为π/2，即虚拟阻抗为虚拟电感。

则将αv=π/2代入式(10)可得：

(11)

由式(11)可知，若满足Upcc=Ug且θpcc=θg， PCC点两侧电压相位及幅值均相等时，可以得到Pv,Qv均为0。在PCC点两侧电压信息相同时，即可实现直流电压同步控制并网逆变器由孤岛向并网运行模式的平滑切换。

2.2 DCVQ自同步预同步控制

为了实现上述基于虚拟功率的并网补偿理论，在图1，图3的基础上，加入由虚拟功率控制生成的频率和电压幅值补偿量，得到预同步过程中的改进DCVQ并网逆变器控制框图如图4所示。

图4 加入预同步控制的直流电压同步控制算法整体框图

其中Δω为频率控制环的同步补偿值；ΔU为电压控制环的同步补偿值，其计算过程如图5所示。

图5 基于虚拟功率的无缝切换控制策略框图

图中，S为预同步使能开关，通过测量并网开关Sg两侧电压Upcc和Ug，将其分别带入式(11)计算出虚拟阻抗传输的虚拟有功功率Pv和虚拟无功功率Qv，参考值置为0，得到信号经过PI控制器后输出Δω和ΔU，补偿值加到DCVQ控制并网逆变器算法中图5所示的位置，通过闭环控制最终实现Pv和Qv均为零的控制目标，此时并网开关两侧电压相位及幅值均达到一致，预同步完成。之后断开预同步使能开关并合上并网开关Sg，即可将孤岛模式无缝切换至并网模式。

3 仿真验证

利用Plecs搭建直流电压同步控制并网逆变器采用基于虚拟功率的预同步策略的仿真模型，对所设计的预同步策略进行仿真验证，仿真时间为1s。未加入预同步控制时系统输出电压、电流和功率如图6所示。

由图6可知，在t=0.4s给出并网信号之后，并网瞬间输出电压和电流均产生畸变，出现的冲击电流约为稳态电流的10倍，有功功率和无功功率也出现较大震荡，系统稳定性较差。

图6 未加预同步控制时逆变器输出电压、电流和功率波形

图7 加入预同步控制时逆变器输出电压、电流和功率波形

当加入本文所提出的基于虚拟功率的预同步控制时，在t=0.3s时，通过闭合预同步使能开关Ssync，引入基于虚拟功率的预同步控制策略，t=0.4s时闭合并网开关Sg并断开预同步使能开关Ssync，即在0.1s的时间内使并网开关Sg两侧电压幅值、频率及相位保持一致，实现两者的同步，预同步调节完成。此时系统输出电压、电流和功率如图7所示。

由图7可知，采用本文所述的基于虚拟功率的预同步控制策略后，直流电压同步控制下的并网逆变器在由离网模式向并网模式切换瞬间，电流和电压波形无畸变，输出有功/无功功率尖峰及振荡显著削弱，在不使用锁相环的情况下成功实现了DCVQ型并网逆变器离网向并网模式的无缝切换。

4 结 论

针对现有并网逆变器运行多使用锁相环来进行控制的缺点，本文首先分析了锁相环容易造成并网逆变器不稳定的原因，在此基础上考虑并网逆变器离并网切换的工况，为了保持直流电压同步控制不需要锁相环的优势，设计了基于多能互补下的虚拟功率的预同步策略来实现直流电压同步控制下的并网逆变器离并网的无缝切换。仿真结果表明，本文提出的新型自同步控制策略对电网具有良好的频率跟踪性能，在此基础上采用的基于虚拟功率的预同步策略能够大幅减小其离并网切换的冲击电流，实现直流电压同步控制并网逆变器的离并网无缝切换。