逆變器電壓型控制策略切換方法

黃家豪，王金全，黃克峰，陳靜靜

(陸軍工程大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

0 引言

隨著能源短缺和環(huán)境問(wèn)題不斷加劇，傳統(tǒng)集中式供電技術(shù)的缺陷日益凸顯，分布式可再生能源發(fā)電得到廣泛關(guān)注和發(fā)展[1-2]。可再生能源由于其發(fā)電的不可控性，常應(yīng)用于接入微電網(wǎng)示范工程，以并網(wǎng)或孤島模式運(yùn)行[3]。逆變器作為交直流的接口裝置，其控制策略決定了微電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，直接影響著系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

逆變器常用的控制策略可分為恒功率(PQ)控制、恒壓/恒頻(V/f)控制、下垂控制以及虛擬同步機(jī)(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制等多種，其中PQ控制屬于電流型控制，V/f控制、下垂控制和VSG控制屬于電壓型控制[4]。針對(duì)系統(tǒng)不同的運(yùn)行模式，逆變器需采用不同的控制策略，以微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島模式切換為例，文獻(xiàn)[5]～[7]提出雙模式逆變器，并網(wǎng)運(yùn)行采用電流型控制，孤島運(yùn)行采用電壓型控制，并研究了逆變器在電壓型與電流型控制之間的切換方法，能夠滿足微電網(wǎng)運(yùn)行需要，但并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)過(guò)多電流源的接入會(huì)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)影響。文獻(xiàn)[8]和[9]分別采用下垂控制和VSG控制作為逆變器的控制策略，可同時(shí)適用于并網(wǎng)和孤島模式，且兩者均為電壓型控制策略，避免了電流源的引入，但采用單一控制策略難以滿足系統(tǒng)多種運(yùn)行狀況的需求，而多控制策略之間涉及切換問(wèn)題，現(xiàn)有的控制策略切換研究多集中于電流型與電壓型之間的切換，有關(guān)逆變器電壓型控制策略間的無(wú)縫切換方法尚無(wú)相關(guān)成果。

為此，本文以采用電壓型控制的逆變器為研究對(duì)象，針對(duì)其控制策略切換問(wèn)題，提出了一種切換方法，可實(shí)現(xiàn)逆變器電壓型控制策略無(wú)縫平滑切換，避免切換過(guò)程中輸出電壓突變對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成的影響，并利用MATLAB/Simulink仿真軟件驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 逆變器電壓型控制策略結(jié)構(gòu)

逆變器的控制多使用雙環(huán)控制或多環(huán)控制，外環(huán)主要用于實(shí)現(xiàn)具體控制策略，輸出作為參考信號(hào)傳遞到內(nèi)環(huán)；內(nèi)環(huán)則主要進(jìn)行逆變器輸出調(diào)節(jié)，提高逆變器輸出的電壓電流質(zhì)量[10]。逆變器電壓型控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，從外環(huán)設(shè)計(jì)的角度，逆變器電壓型控制策略有V/f控制、下垂控制、VSG控制等多種，但其內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)相同。

圖1 逆變器電壓型控制結(jié)構(gòu)圖

2 逆變器電壓型控制策略切換的影響

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，針對(duì)不同的運(yùn)行情況，逆變器的控制策略往往需進(jìn)行切換，以達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行效果，由于電壓型控制輸入內(nèi)環(huán)的都是有關(guān)電壓的參考信號(hào)量Ud0、Uq0、θ，因此可以共用一個(gè)內(nèi)環(huán)。由于電壓型控制策略的外環(huán)是獨(dú)立互不影響的，因此在當(dāng)前控制策略運(yùn)行時(shí)，其余控制策略的外環(huán)正常運(yùn)行，只不過(guò)其產(chǎn)生的Ud0、Uq0、θ不送入內(nèi)環(huán)，由此可見(jiàn)不同電壓型控制策略外環(huán)產(chǎn)生的Ud0、Uq0、θ會(huì)存在頻率、相位及幅值的差別，在控制策略切換的過(guò)程中，造成輸出電壓的突變，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響。以下垂控制切換到V/f控制為例，在MATLAB/Simulink軟件中進(jìn)行仿真，得到的輸出電壓和頻率波形如圖2所示。

從圖2中可以看出，在3.5 s模式切換時(shí)刻電壓和頻率都會(huì)產(chǎn)生突變，將對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定造成影響，當(dāng)突變嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致保護(hù)動(dòng)作發(fā)生，即系統(tǒng)崩潰。

圖2 逆變器從下垂控制切換到V/f控制輸出波形

3 逆變器電壓型控制策略切換方法

針對(duì)逆變器電壓型控制策略切換前后電壓幅值、頻率和相位參考存在差別導(dǎo)致切換時(shí)電壓突變的問(wèn)題，本文提出在切換后的模式中以增加補(bǔ)償量的方式消除控制策略切換前后參考量的差別，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，逆變器電壓型控制策略切換方法的控制框圖如圖3所示。

圖3 逆變器電壓型控制策略切換方法的控制框圖

其中，Vg、ωg和θg分別為當(dāng)前控制策略產(chǎn)生的三相電壓幅值、角速度和相位參考；V、ω和θ分別為切換后控制策略產(chǎn)生的三相電壓幅值、角速度和相位參考。將Vg和V做差后送入PI控制器，輸出幅值補(bǔ)償值ΔV給切換后控制策略，切換后控制策略原有的電壓幅值參考值加上幅值補(bǔ)償值ΔV作為新的電壓幅值參考值，頻率參考補(bǔ)償值和相位參考補(bǔ)償值可同理得到。

通過(guò)增加補(bǔ)償量的方式可實(shí)現(xiàn)切換瞬間兩個(gè)控制策略產(chǎn)生的三相電壓幅值、角速度和相位參考一致，切換完成后補(bǔ)償量需去除，為防止補(bǔ)償量去除時(shí)三相電壓幅值、角速度和相位參考的跳變，記控制策略切換時(shí)的補(bǔ)償量為ΔX，將ΔX與0分別作為數(shù)值緩沖器的初值與終值，經(jīng)過(guò)數(shù)值緩沖器的調(diào)節(jié)，使ΔX逐漸過(guò)渡到0，從而保證控制策略的平滑切換，數(shù)值緩沖器的調(diào)節(jié)如式(1)所示。

(1)

式中：Δxt為補(bǔ)償量的過(guò)渡值；T為從初值到終值的過(guò)渡時(shí)間；Δx為步長(zhǎng)，滿足Δx=ΔX/T。為防止過(guò)渡過(guò)程過(guò)快產(chǎn)生的電壓和頻率突變，過(guò)渡時(shí)間T應(yīng)當(dāng)大于逆變器的瞬態(tài)電壓及頻率穩(wěn)定時(shí)間。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述模式切換控制方法的可行性，采用MATLAB/Simulink仿真軟件，搭建了包含V/f控制和下垂控制的逆變器系統(tǒng)仿真模型。采用上述控制策略切換方法后，以下垂控制切換到V/f控制為例，逆變器輸出電壓和頻率波形如圖4所示。

圖4 加入控制策略切換方法后逆變器輸出波形

從圖4中可以看出，在3.5 s模式切換時(shí)刻電壓和頻率均能夠平滑過(guò)渡，無(wú)突變，驗(yàn)證了所提逆變器電壓型控制策略切換方法的有效性。

5 結(jié)論

本文以采用電壓型控制的逆變器為研究對(duì)象，針對(duì)其控制策略切換問(wèn)題，提出了一種切換方法，通過(guò)增加補(bǔ)償量的方式實(shí)現(xiàn)切換瞬間兩個(gè)控制策略產(chǎn)生的三相電壓幅值、角速度和相位參考一致，進(jìn)一步加入數(shù)值緩沖器防止補(bǔ)償量去除時(shí)三相電壓幅值、角速度和相位參考的跳變，保證控制策略的平滑切換。最后，利用MATLAB/Simulink仿真軟件驗(yàn)證了所提逆變器電壓型控制策略切換方法的有效性。