孤島微網可重構逆變器故障后環流分析及抑制方法

潘李克，李忠，麻王崇，楊成豐，黎燕

（1．浙江溫州永嘉縣電力實業有限公司，浙江 溫州 325100；2．中南大學自動化學院，湖南 長沙 410083）

為提高分布式電源的利用率和經濟效益，一般將分布式電源、負荷、儲能裝置及控制裝置有效整合成一個微型電力系統，即微電網。微電網既可工作于并網模式下，也可工作在孤島模式下。孤島模式下的微電網脫離了大電網支撐，想要維持電壓幅值和頻率，可使DG并網逆變器采用模仿同步發電機外特性的下垂控制[1－3]。

基于線路等效感性阻抗實現的傳統下垂控制與低壓微電網線路等效阻抗呈阻性的矛盾，容易引起并聯運行的逆變器相互之間功率分配不合理以及運行穩定性差的問題，進而引起逆變器相互之間的環流和降低微電網輸出電壓質量[4－6]。微網中多個微源并聯運行，對多逆變器穩定運行控制技術的研究提出了更高的要求，相關研究對其運行可靠性提供了關鍵的技術保證[7－8]。

1 帶可重構逆變器的孤島微網拓撲結構

帶可重構逆變器的孤島微網系統拓撲結構如圖1所示。其中逆變器1為可重構逆變器，逆變器2為傳統的三相六開關型逆變器。逆變器1與逆變器2的輸出側均采用一組LC濾波器來抑制高次諧波。Zline1、Zline2分別為逆變器1與逆變器2的等效線路阻抗，PCC為連接并聯逆變器的公共母線，Zload為公共負載的等效阻抗，V1～V6是功率開關器件IGBT。

圖1 帶可重構逆變器的孤島微網的拓撲結構

在逆變器 1 中，TR1、TR2、TR3、和 TR4是三端雙向可控硅開關，它們共同構成了逆變器1的可重構拓撲結構。當逆變器1中的某個功率開關管發生開路故障時，只需接通相應的雙向可控硅開關。故障相的中點連接到直流側電源的中點O，逆變器1結構重構，故障相由直流側電源替代，逆變器1由三相六開關型結構轉換為三相四開關型結構。

從圖1中可以看出，孤島微網系統有四種運行狀態：

（1）逆變器1和逆變器2都處于正常工作狀態，兩個逆變器均為三相六開關型結構；

（2）逆變器1正常工作，逆變器2發生故障，則逆變器2被切除，逆變器1正常運行；

（3）逆變器1發生故障，逆變器2處于正常工作狀態，則逆變器1重構拓撲結構，由三相六開關型拓撲轉化為三相四開關型拓撲，繼續參與到孤島微網系統的運行中；

（4）逆變器1與逆變器2均有故障，逆變器1結構重構，逆變器2不具有重構能力被切除。

根據上述孤島微電網系統的四種運行狀態可知，由于逆變器1靈活的重構能力，使孤島微電網在任何一個運行模式總是會繼續正常運行，因此可知該帶可重構逆變器的孤島微電網系統具有高可靠性。

2 逆變器故障重構后環流分析及抑制方法

以逆變器1中V1故障重構后為例。如果逆變器1故障，通過故障診斷算法后[9]，診斷出V1故障，則接通三端雙向可控硅開關TR4，c相橋臂被直流側電源替代，逆變器1剩下五個功率開關管V2、V3、V4、V5和 V6。當逆變器 1 的故障開關確定后，根據剩余兩相中的開關器件的開關狀態，該并聯逆變電路有6種不同的電路結構。本文以逆變器1開關狀態（0，0）和（0，1）為例，分析逆變器 1 與逆變器2并聯時的環流情況，如圖2所示。

圖2 逆變器1與逆變器2之間的環流

圖2是逆變器1與逆變器2的簡化電路圖。為了分析方便并且能簡化計算，設置逆變器1與逆變器2的等效輸出阻抗相等，且為Z。在圖2（a）中存在兩條電流環流 iH1、iH2，

同樣，在圖2（b）中存在兩條電流環流 iH3、iH4，

其余電路結構都有與圖2所示相似的環流情況，可以用下面兩種進一步簡化的等效電路表示。

圖3 對應圖2的簡化等效環流電路

由圖3可以推導出逆變器1與逆變器2間環流的統一表達形式為：

圖3（a）中，當 Udc1≠Udc2時，

在圖3（b）中，當 Udc1＝Udc2時，

通過分析可知，逆變器1與逆變器2直流側電源電壓的偏差與環流的產生有關。逆變器輸出側的等效阻抗越大，環流就越小，但是輸出側的等效阻抗不能很大。另一方面，各個逆變器輸出側的等效阻抗有可能不相等，例如線路阻抗不匹配，則會加劇環流。為了消除環流，使系統穩定運行，需要對環流進行抑制。

本文采用虛擬阻抗抑制環流，虛擬阻抗表達式為：

其中，Rvir為虛擬電阻，Lvir為虛擬電感。設置的虛擬阻抗使各個逆變器的輸出阻抗相等，抵消并聯運行的微源與大電網間不平衡的線路阻抗，降低逆變器在PCC處輸出電壓的偏差值，從而抑制并聯型逆變器間的環流，提高孤島微網系統的功率分配精度。

3 系統控制策略

本文的孤島微電網系統采用對等控制策略，系統的控制策略如圖4所示。逆變器1的控制模塊為外部虛線框中的內容，逆變器2的控制模塊為內部虛線框中的內容。逆變器1正常工作時，與逆變器2的控制模塊完全相同。主要的控制環節包括：下垂控制環、虛擬阻抗控制環、電壓－電流控制環。當逆變器1中的開關器件發生故障、拓撲重構后，控制策略中相應地增加脈沖重置環，脈沖重置環的主要功能是對脈沖信號重新配置，使逆變器1故障重構后仍能繼續運行。功逆變器的電感電流il、輸出電壓uo、輸出電流io的三相分量轉換到dq坐標系下，由功率計算模塊得到逆變器的實際平均功率P和Q，經下垂控制得到逆變器的參考電壓udroop和系統的參考角頻率ω。虛擬阻抗環調節下垂控制產生的參考電壓。電壓－電流控制環以逆變器的輸出電壓uo和LC濾波器電流il作為被控量，輸出正弦調制信號m~，經SPWM調制模塊控制逆變器的輸出電壓。

圖4 系統控制策略框圖

逆變器采用的下垂控制的方程為：

式中，uoref為給定的電壓參考值，ωref為給定的額定角頻率，Pref和Qref為微電網在額定電壓和頻率下逆變器輸出的平均有功功率與平均無功功率，參數m是P－f下垂增益，參數n是Q－U下垂增益。

虛擬阻抗電壓的表達式為

下垂控制產生逆變器輸出電壓的參考值udroop，逆變器的輸出電流乘以虛擬阻抗，用參考電壓udroop減去虛擬阻抗上的壓降，得到的電壓可以作為電壓電流控制環節的輸入。

4 仿真及分析

為了驗證虛擬阻抗對孤島微電網中環流抑制的有效性，本文在Matlab／Simulink仿真平臺上搭建了如圖1所示的仿真模型。系統仿真參數如表1所示。

表1 系統仿真參數

本文以逆變器1中功率開關管V1所發生故障為例進行仿真分析。第一組仿真，仿真時長為2s，在1s處，逆變器1發生故障并重構，但是系統控制策略無虛擬阻抗環，仿真結果如圖5所示。

圖5 無虛擬阻抗環的系統仿真結果

根據圖5所示的仿真結果可以看出，在0～1s，逆變器1和逆變器2正常工作，因此電壓電流波形正常。由于線路阻抗不匹配和沒有虛擬阻抗環，逆變器1與逆變器2之間有環流。在1s后，由于逆變器1發生故障，導致并聯逆變器之間的環流大大惡化，系統頻率不能保持恒定值。由于控制策略中有脈沖重置環節，因此逆變器1故障后，電壓電流的輸出波形保持比較好，受環流影響電壓電流輸出稍微畸變。

第二組仿真，在t＝0～1s時間段內，逆變器1工作狀態正常；在t＝1～2s時間段內，逆變器1故障后重構，系統控制策略帶有虛擬阻抗環，仿真結果如圖6所示。

圖6 帶虛擬阻抗環的系統仿真結果

由圖6的仿真結果可知，加入虛擬阻抗模塊后，逆變器之間的環流得到很好地抑制，系統的頻率穩定在工頻50Hz附近，電壓電流波形穩定。即逆變器1在t＝1s時故障重構，系統的輸出電壓和頻率依然保持穩定。

系統其余的運行模式有類似的仿真結果，證明了本文的可重構拓撲和控制策略的正確性，確保逆變器1故障后，在不需要變換控制方法的情況下能保證電壓和頻率的穩定，環流得到很好地抑制，實現了容錯、提高了系統的可靠性。

5 結論

本文對帶可重構逆變器的孤島微網的環流情況進行分析，并提出抑制方法。以可重構的逆變器1c相發生故障為例，分析了逆變器1與逆變器2之間的環流情況。結合兩個逆變器之間線路阻抗不匹配的問題，提出容錯的控制策略，通過仿真結果可知，所提控制策略不但穩定了逆變器故障后輸出電壓和頻率，還可以有效抑制并聯逆變器之間環流。