微网中并联逆变器的环流控制方法_肖华根
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N
ua R1 A ub R1 B R1 C uc
io
图1
并联三相逆变器的拓扑结构
Fig. 1 Topology structure of parallel connection system of three-phase inverter
u1a u1b u1c i1a i1b i1c L1 L1 L1 io u2a u2b u2c i2a i2b i2c L2 L2 L2 R1 R1 R1 A B C ua ub uc
则有
(1)
1 三相并网逆变器环流分析
本文所讨论的并联系统为共直流母线交流侧 直接并联的三相并网逆变器，如图 1 所示。Udc 为 直流母线电压，ua、ub、uc 为三相电网电压，io 为环 流，uxa、uxb、uxc(x1,2)为第 x 台逆变器三相输出电 压。从图 1 可以看出，当逆变器间的电路参数或输 出功率不一致、负载不平衡时，2 台逆变器的同相 桥臂开关器件的开关动作不会完全同步，会引起逆 变器间的环流。 在并网逆变器的控制系统中，功率开关管的开 关频率远远大于电网电压频率，因此，在一个开关 周期内逆变器交流侧可以等价为一个可控的电压 则三相并网逆变器在三相静止坐标系下的等 源[20]， 价平均值模型如图 2 所示。 因为零序电流是由于零序电压作用在 2 台逆变 器间的输出阻抗上产生的，根据三相不对称分量理 论，图 2 中的每台逆变器等效电压可以分解成三相
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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好的抑制作用，但对低频环流抑制作用较差。目前 研究最多的环流控制方法是各并联模块采取独立 调节方式，以自身的零序电流为反馈量调节零序电 压，从而进行环流抑制。其中：文献[15-16]提出了 非线性环流控制方法，其控制算法比较复杂，在工 程中不易实现；文献[17-18]提出了一种交错断续空 间矢量调制，有效降低了系统输出电流的总谐波畸 变率，但增加了功率器件的开关频率；文献[19]提 出一种采用无差拍控制器来调节各并联模块的空 间矢量脉宽调制中的零矢量，从而实现零序环流抑 制，动态响应速度快，环流抑制效果好，但是该方 法中每台并联逆变器的零矢量调节都需要采样另 一台逆变器的零序电流。 针对微网中并联运行逆变器的环流问题，本文 提出一种基于补偿零序电压差的瞬时环流直接控 制方法，单台逆变器的零序电流经过无差拍控制算 法生成零序电压差补偿量，直接控制并联运行的并 网逆变器间的零序电压差，使其接近零，从而实现 环流抑制。该方法具有动态响应速度快、控制器设 计简单、不存在零序电压竞争等特点，并且仅需单 台逆变器的零序电流信息，易于工程实现。本文首 先分析了三相并网逆变器并联运行环流的等价平 均值模型，然后提出了补偿零序电压差的环流抑制 原理和零序电压差无差拍控制方法，最后进行了仿 真与实验验证。 令
机
工
程
学
报
第 34 卷
程组。
di u u1z L1 1a R1i1a 2z u2a 3 u1a dt 3 di L2 2a R2 i2a dt d u 1z u L i1b R i u2z u 1b 1 1 1b 2b 3 dt 3 di L2 2b R2i2b dt u di u 1z u1c L1 1c R1i1c 2z u2c 3 dt 3 di L2 2c R2 i2c dt
Fig. 3
N u' 2a u2z u' 2b u' 2c u1z
(2)
ub uc 0 ua
等价平均值模型如图 3 所示。
u' 1a u' 1b u' 1c i1a i1b i1c L1 L1 L1 io i2a i2b i2c L2 L2 L2 R2 R2 R2 R1 R1 R1 A B C ua ub uc
(3)
所得到带零序电压分量的三相并网逆变器的
图3
带零序分量的等价平均值模型
Equivalent model of the parallel three-phase inverter with zero-sequence quantity
由图 3 可以得到 2 台逆变器之间的电流回路方
3100
中
国
电
第 19 期
肖华根等：微网中并联逆变器的环流控制方法
P S11 u1a Udc S14 N S21 u2a u2b S24 S25 u2c S26 S22 S23 i2a i2b i2c L2 L2 L2 R2 R2 R2 u1b S15 u1c S16 S12 S13 i1a i1b i1c L1 L1 L1
R2 R2 R2
图2 Fig. 2
等价平均值模型 Equivalent model of
the parallel three-phase inverter
对称电压和零序电压，即
(ua uz / 3) (ub uz / 3) (uc uz / 3) 0
(ua uz / 3) ua (ub uz / 3) ub u (u u / 3) c z c
第 34 卷 第 19 期 3098 2014 年 7 月 5 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.34 No.19 Jul.5, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 中图分类号：TM 46
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.19.008
XIAO Huagen, LUO An, WANG Yichao, TU Chunming, SHUAI Zhikang
(Natural Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center (Hunan University), Changsha 410082, Hunan Province, China) ABSTRACT: Circulating current restraining is the key technology for the reliable operation of paralleled inverters. Based on the compensation principle of zero-sequence voltage difference, this paper proposed a zero-sequence circulating current control method for the redundant paralleled grid-tied inverters with common DC-bus in microgrids. Firstly, the equivalent circuit model of circulating current between paralleled inverters was analyzed, and the quantity of zero-sequence voltage compensation between inverters was obtained by the deadbeat current control method according to the zero-sequence current feedback of a single inverter. Then, the zero-sequence voltage difference between parallel inverters is close to zero by adjusting the zero-sequence voltage of a single inverter for restraining circulating current. Finally, simulation and experiment results verified the validity of the proposed control method to restrain the zero-sequence circulating current between paralleled inverters. KEY WORDS: microgrid; grid-connected inverter; circulating current; zero-sequence voltage; deadbeat control 摘要： 环流抑制是逆变器可靠并联运行的关键技术， 针对微 电网中的共直流母线冗余并网逆变器的并联运行， 提出了一 种基于零序电压差补偿原理的零序环流控制方法。 首先分析 了并联逆变器间零序环流等价模型， 根据单台逆变器的零序 电流反馈量和无差拍电流控制方法直接得到并联逆变器间 的零序电压差补偿量。 然后通过调节该单台逆变器的零序电 压使并联逆变器间的零序电压差接近零， 实现抑制零序环流 的目标。 最后， 仿真和实验结果验证了所提零序电压差补偿 原理和零序环流控制方法的有效性。
关键词：微网；并网逆变器；环流；零序电压；无差拍控制
0 引言
微型电网(文中简称微网)将各种分布式电源、 负荷、储能单元及控制装置等结合，形成一个单一 可控的单元，很好地解决了分布式电源直接并入配 电网带来的一系列问题[1-3]。 随着常规能源的不断消 耗以及环境污染日益严重，微网技术也受到越来越 广泛的关注[4-7]。 微网中的分布式电源几乎都是经过 并网逆变器接入配电网，为了保证微网能在孤岛模 式正常运行，可控微电源的并网逆变器通常采用恒 频恒压控制方法，为微网提供电压和频率支撑；同 时，为了提高微网的安全、稳定运行，微网中提供 电压和频率支撑的并网逆变器通常采用冗余配置 方案，即 2 台共直流母线的并网逆变器并联运行。 当 2 台共直流母线并网逆变器在交流侧直接并联 时，并网逆变器之间会形成零序电流的环流通路， 若并联逆变器之间的硬件参数和控制参数不一致、 开关器件动作不能完全同步，零序电压作用于并联 逆变器之间的输入电抗器就会产生零序环流[8-9]。 环 流会使并网电流畸变严重，增加损耗，降低系统效 率[10-11]。因此，有效抑制 2 台共直流母线并网逆变 器的零序环流十分必要。 抑制环流最基本的方法是利用硬件阻断环流 通路，即并网逆变器的直流母线电压彼此分开或交 流侧经多绕组隔离变压器并联等方法[12-13]。这种传 统的环流抑制方法是通过改变硬件结构来抑制环 流，虽然能有效消除环流，但是会增加系统成本和 体积。因此，从控制方法角度来抑制环流的各种方 法开始出现。文献[14]利用相间阻抗为零序分量提 供较高的阻抗，该方法对中、高频率的环流具有较
基金项目：国家自然科学基金重点项目(51237003)；教育部新世纪 优秀人才支持计划项目 NCET-10-0367） ；湖南省研究生科研创新项目 (CX2013B162)。 National Natural Science Foundation of China (51237003); Program for New Century Excellent Talents in University (NCET-10-0367); Graduate student research innovation project in Hunan Province (CX2013B162).
文章编号：0258-8013 (2014) 19-3098-07
微网中并联逆变器的环流控制方法
肖华根，罗安，王逸超，涂春鸣，帅智康
(国家电能变换与控制工程技术研究中心(湖南大学)，湖南省 长沙市 410082)
A Circulating Current Control Method for Paralleled Inverters in Microgrids
ua R1 A ub R1 B R1 C uc
io
图1
并联三相逆变器的拓扑结构
Fig. 1 Topology structure of parallel connection system of three-phase inverter
u1a u1b u1c i1a i1b i1c L1 L1 L1 io u2a u2b u2c i2a i2b i2c L2 L2 L2 R1 R1 R1 A B C ua ub uc
则有
(1)
1 三相并网逆变器环流分析
本文所讨论的并联系统为共直流母线交流侧 直接并联的三相并网逆变器，如图 1 所示。Udc 为 直流母线电压，ua、ub、uc 为三相电网电压，io 为环 流，uxa、uxb、uxc(x1,2)为第 x 台逆变器三相输出电 压。从图 1 可以看出，当逆变器间的电路参数或输 出功率不一致、负载不平衡时，2 台逆变器的同相 桥臂开关器件的开关动作不会完全同步，会引起逆 变器间的环流。 在并网逆变器的控制系统中，功率开关管的开 关频率远远大于电网电压频率，因此，在一个开关 周期内逆变器交流侧可以等价为一个可控的电压 则三相并网逆变器在三相静止坐标系下的等 源[20]， 价平均值模型如图 2 所示。 因为零序电流是由于零序电压作用在 2 台逆变 器间的输出阻抗上产生的，根据三相不对称分量理 论，图 2 中的每台逆变器等效电压可以分解成三相
ຫໍສະໝຸດ Baidu
3099
好的抑制作用，但对低频环流抑制作用较差。目前 研究最多的环流控制方法是各并联模块采取独立 调节方式，以自身的零序电流为反馈量调节零序电 压，从而进行环流抑制。其中：文献[15-16]提出了 非线性环流控制方法，其控制算法比较复杂，在工 程中不易实现；文献[17-18]提出了一种交错断续空 间矢量调制，有效降低了系统输出电流的总谐波畸 变率，但增加了功率器件的开关频率；文献[19]提 出一种采用无差拍控制器来调节各并联模块的空 间矢量脉宽调制中的零矢量，从而实现零序环流抑 制，动态响应速度快，环流抑制效果好，但是该方 法中每台并联逆变器的零矢量调节都需要采样另 一台逆变器的零序电流。 针对微网中并联运行逆变器的环流问题，本文 提出一种基于补偿零序电压差的瞬时环流直接控 制方法，单台逆变器的零序电流经过无差拍控制算 法生成零序电压差补偿量，直接控制并联运行的并 网逆变器间的零序电压差，使其接近零，从而实现 环流抑制。该方法具有动态响应速度快、控制器设 计简单、不存在零序电压竞争等特点，并且仅需单 台逆变器的零序电流信息，易于工程实现。本文首 先分析了三相并网逆变器并联运行环流的等价平 均值模型，然后提出了补偿零序电压差的环流抑制 原理和零序电压差无差拍控制方法，最后进行了仿 真与实验验证。 令
机
工
程
学
报
第 34 卷
程组。
di u u1z L1 1a R1i1a 2z u2a 3 u1a dt 3 di L2 2a R2 i2a dt d u 1z u L i1b R i u2z u 1b 1 1 1b 2b 3 dt 3 di L2 2b R2i2b dt u di u 1z u1c L1 1c R1i1c 2z u2c 3 dt 3 di L2 2c R2 i2c dt
Fig. 3
N u' 2a u2z u' 2b u' 2c u1z
(2)
ub uc 0 ua
等价平均值模型如图 3 所示。
u' 1a u' 1b u' 1c i1a i1b i1c L1 L1 L1 io i2a i2b i2c L2 L2 L2 R2 R2 R2 R1 R1 R1 A B C ua ub uc
(3)
所得到带零序电压分量的三相并网逆变器的
图3
带零序分量的等价平均值模型
Equivalent model of the parallel three-phase inverter with zero-sequence quantity
由图 3 可以得到 2 台逆变器之间的电流回路方
3100
中
国
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第 19 期
肖华根等：微网中并联逆变器的环流控制方法
P S11 u1a Udc S14 N S21 u2a u2b S24 S25 u2c S26 S22 S23 i2a i2b i2c L2 L2 L2 R2 R2 R2 u1b S15 u1c S16 S12 S13 i1a i1b i1c L1 L1 L1
R2 R2 R2
图2 Fig. 2
等价平均值模型 Equivalent model of
the parallel three-phase inverter
对称电压和零序电压，即
(ua uz / 3) (ub uz / 3) (uc uz / 3) 0
(ua uz / 3) ua (ub uz / 3) ub u (u u / 3) c z c
第 34 卷 第 19 期 3098 2014 年 7 月 5 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.34 No.19 Jul.5, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 中图分类号：TM 46
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.19.008
XIAO Huagen, LUO An, WANG Yichao, TU Chunming, SHUAI Zhikang
(Natural Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center (Hunan University), Changsha 410082, Hunan Province, China) ABSTRACT: Circulating current restraining is the key technology for the reliable operation of paralleled inverters. Based on the compensation principle of zero-sequence voltage difference, this paper proposed a zero-sequence circulating current control method for the redundant paralleled grid-tied inverters with common DC-bus in microgrids. Firstly, the equivalent circuit model of circulating current between paralleled inverters was analyzed, and the quantity of zero-sequence voltage compensation between inverters was obtained by the deadbeat current control method according to the zero-sequence current feedback of a single inverter. Then, the zero-sequence voltage difference between parallel inverters is close to zero by adjusting the zero-sequence voltage of a single inverter for restraining circulating current. Finally, simulation and experiment results verified the validity of the proposed control method to restrain the zero-sequence circulating current between paralleled inverters. KEY WORDS: microgrid; grid-connected inverter; circulating current; zero-sequence voltage; deadbeat control 摘要： 环流抑制是逆变器可靠并联运行的关键技术， 针对微 电网中的共直流母线冗余并网逆变器的并联运行， 提出了一 种基于零序电压差补偿原理的零序环流控制方法。 首先分析 了并联逆变器间零序环流等价模型， 根据单台逆变器的零序 电流反馈量和无差拍电流控制方法直接得到并联逆变器间 的零序电压差补偿量。 然后通过调节该单台逆变器的零序电 压使并联逆变器间的零序电压差接近零， 实现抑制零序环流 的目标。 最后， 仿真和实验结果验证了所提零序电压差补偿 原理和零序环流控制方法的有效性。
关键词：微网；并网逆变器；环流；零序电压；无差拍控制
0 引言
微型电网(文中简称微网)将各种分布式电源、 负荷、储能单元及控制装置等结合，形成一个单一 可控的单元，很好地解决了分布式电源直接并入配 电网带来的一系列问题[1-3]。 随着常规能源的不断消 耗以及环境污染日益严重，微网技术也受到越来越 广泛的关注[4-7]。 微网中的分布式电源几乎都是经过 并网逆变器接入配电网，为了保证微网能在孤岛模 式正常运行，可控微电源的并网逆变器通常采用恒 频恒压控制方法，为微网提供电压和频率支撑；同 时，为了提高微网的安全、稳定运行，微网中提供 电压和频率支撑的并网逆变器通常采用冗余配置 方案，即 2 台共直流母线的并网逆变器并联运行。 当 2 台共直流母线并网逆变器在交流侧直接并联 时，并网逆变器之间会形成零序电流的环流通路， 若并联逆变器之间的硬件参数和控制参数不一致、 开关器件动作不能完全同步，零序电压作用于并联 逆变器之间的输入电抗器就会产生零序环流[8-9]。 环 流会使并网电流畸变严重，增加损耗，降低系统效 率[10-11]。因此，有效抑制 2 台共直流母线并网逆变 器的零序环流十分必要。 抑制环流最基本的方法是利用硬件阻断环流 通路，即并网逆变器的直流母线电压彼此分开或交 流侧经多绕组隔离变压器并联等方法[12-13]。这种传 统的环流抑制方法是通过改变硬件结构来抑制环 流，虽然能有效消除环流，但是会增加系统成本和 体积。因此，从控制方法角度来抑制环流的各种方 法开始出现。文献[14]利用相间阻抗为零序分量提 供较高的阻抗，该方法对中、高频率的环流具有较
基金项目：国家自然科学基金重点项目(51237003)；教育部新世纪 优秀人才支持计划项目 NCET-10-0367） ；湖南省研究生科研创新项目 (CX2013B162)。 National Natural Science Foundation of China (51237003); Program for New Century Excellent Talents in University (NCET-10-0367); Graduate student research innovation project in Hunan Province (CX2013B162).
文章编号：0258-8013 (2014) 19-3098-07
微网中并联逆变器的环流控制方法
肖华根，罗安，王逸超，涂春鸣，帅智康
(国家电能变换与控制工程技术研究中心(湖南大学)，湖南省 长沙市 410082)
A Circulating Current Control Method for Paralleled Inverters in Microgrids