微網逆變器平滑切換控制

李兵+張軍

摘 要：逆變器的平滑切換控制作為微網穩定運行的重要條件，研究逆變器合適的控制方法十分重要。本文在分析逆變器不同運行模式控制策略結構的基礎上，采用基于外環輸出狀態跟隨和預同步控制的方法實現逆變器輸出在切換前后的平滑切換方法，最后在仿真平臺對所提策略進行驗證，實驗結果證明了所提策略的有效性。

關鍵詞：逆變器；平滑切換；狀態跟隨；預同步

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.021

0 引言

微電網由于具有可以獨立運行、靈活切換運行模式的優點，可以作為配電網的有效補充。微電網可以覆蓋配電網供電經濟性差的地區，如偏遠山區、島嶼等，若這類地區由配電網供電往往由于架線等成本太高而得不償失，而微電網可以為此類用戶提供相對經濟且高效的供電。微電網穩定高效運行要求具有良好的控制系統控制微電網的合理運行。由于微電網內分布式電源的特點，對于微電網的控制往往是通過逆變器進行，因而許多學者對微電網逆變器的控制策略展開了研究。文獻[1]對分布式電源逆變器雙環控制策略進行了研究，并對其未來的發展趨勢進行了探討；文獻[2]對微電網逆變器的多換反饋控制策略進行了研究，提出利用下垂特性設計外環功率控制器，實現逆變器間的通信控制。

逆變器控制策略的平滑切換是實現微電網靈活切換運行模式的重要條件。文獻[3]通過基于雙環控制的反饋控制器，通過改進下垂控制和PQ控制實現主從控制微電網電壓、頻率的平滑控制；文獻[4]采用分區控制結合主電源的雙環控制方式對微電網從并網模式切換至孤島運行進行研究，最終實現了平滑切換的目標；文獻[5]提出一種新型鎖相環減少主從微電網運行模式切換帶來的振蕩，實現了平滑切換控制；文獻[6]基于能量守恒原理改進電壓環調節器來抑制并網向孤島切換過程的振蕩；文獻[7]通過在常規切換的基礎上加入PI控制器進行跟隨的方法減小切換過程中控制器外環輸出的突變，從而減小波動實現平滑切換。

本文以主從型微電網主電源逆變器為對象，對其平滑切換控制策略進行研究，提出基于同步跟隨和預同步的逆變器平滑切換控制策略，并通過仿真驗證其有效性。

1 逆變器并網結構及控制策略

逆變器并網結構如圖1所示，由逆變器、濾波器及線路阻抗三部分組成。其中角標i=a、b、c，代表a，b，c相關電量；Ui、Ii表示逆變器出口電壓、電流；Uoi表示逆變器經濾波器濾波后的輸出電壓；Ioi代表逆變器經濾波器后的出口電流；U?i為逆變器接入交流母線端口電壓； L?代表線路電感，R為線路電阻。

1.1 并網運行時逆變器控制策略

微電網并網運行時，配電網可以為微電網提供電壓和頻率基準，因此逆變器控制可以配電網的U、f為基準，此時分布式電源逆變器均采用PQ雙環控制策略。

1.2 孤島運行時逆變器控制策略

孤島運行時，逆變器目前普遍采用的控制方法包含下垂控制和U/f控制。下垂控制是依靠電壓、頻率的差值來實現對無功功率、有功功率的控制，是一種調差控制，因此下垂控制適合于多臺逆變器并聯運行時的控制。本文采用蓄電池作為主電源，為此其逆變器采用U/f控制策略。

2 逆變器控制策略切換

主從型微電網在運行模式切換時，從電源逆變器控制保持PQ控制策略不變，主電源逆變器控制策略則需要隨著運行模式的改變而進行切換。因此，逆變器的切換包含：微電網運行模式由并網切換至孤島，逆變器相應的由PQ控制切換為U/f控制；微電網由孤島切換至并網，逆變器重新切換至并網運行。

2.1 并網轉孤島時逆變器平滑切換控制

由前述分析可知，主電源逆變器在微電網由并網轉孤島運行時需要由PQ控制切換為U/f控制。在主電源逆變器進行模式切換時，由于外環生成的dq軸參考電流Idref、Iqref不同，若直接切換，因二者之間存在差值將導致電流環PI調節器輸出項突變，引起逆變器的輸出突變。

針對于此，本文提出一種基于U/f外環控制輸出對PQ控制外環輸出進行狀態跟隨的逆變器輸出平滑切換控制策略，以d軸狀態跟隨控制為例。

其中微電網并網運行時開關K1在導通，K2斷開。K3導通1通道；孤島運行時，K1斷開，K2導通，K3導通2通道。逆變器控制策略由PQ切換至U/f時，由于U/f控制外環輸出已對PQ控制外環進行了狀態跟隨，逆變器輸出將會平滑過渡。

2.2 孤島轉并網時逆變器平滑切換

孤島運行時，主電源逆變器為其它分布式電源提供電壓、頻率基準。微電網重新并網運行時，為確保并網不對電網的運行造成大沖擊，主電源逆變器并網前輸出的電壓幅值、頻率及相位必須與配電網保持一致，為此需對其輸出進行預同步控制，以滿足并網條件。

本文采用如圖5所示的逆變器預同步控制策略。通過以電網的實際值對主電源逆變器的輸出進行預同步。Ugd、Ugq代表配電網低壓側電壓幅值的d、q軸分量，Ud、Uq為微電網電壓幅值的d、q軸分量。Udref-1、Uqref-1代表經過預同步控制后生成的電壓參考值。在微電網與配電網電壓之間存在差值時能不斷地對微電網電壓進行調節至二者相等，完成電壓幅值的同步。

3 仿真及分析

本文在MATLAB/Simulink平臺上搭建主從微電網逆變器模型。

負數代表消耗功率。微電網運行的時間節點，其中重新并網后由配電網提供功率缺額，蓄電池不再輸出功率。

3.1 逆變器由PQ切換至U/f控制仿真及分析

微電網并網時，主電源逆變器處于PQ控制狀態；孤島運行時，主電源蓄電池逆變器處于U/f控制狀態。

主電源蓄電池切換過程輸出功率和電流的變化曲線，蓄電池輸出功率在切換后也僅僅出現非常小的超調量，并且迅速響應達到穩態，輸出有功功率9kW，無功功率4kVar，及時填補了微電網功率缺額；蓄電池輸出電流在切換瞬間平滑過渡到新的輸出電流。由此可以看出，該策略能順利實現蓄電池逆變器輸出的平滑過渡，完成控制策略切換。

3.2 重新并網運行仿真及分析

蓄電池逆變器輸出功率和電流在并網前后的變化曲線。重新并網后，由于配電網及時補充微網中的功率缺額，蓄電池逆變器不再輸出功率；由于對逆變器輸出進行了預同步，并網瞬間蓄電池逆變器出口交流母線電壓頻率僅有0.15 Hz左右的波動，波動非常小，順利完成了切換。

4 結論

逆變器輸出的平滑切換是微電網運行模式切換的基礎。從仿真結果看，本文所提的基于外環控制輸出狀態跟隨和預同步控制策略有效地實現了逆變器輸出在切換瞬間波動小，達到了平滑切換的目標。

參考文獻：

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