微网逆变器平滑切换控制

摘 要：逆变器的平滑切换控制作为微网稳定运行的重要条件，研究逆变器合适的控制方法十分重要。本文在分析逆变器不同运行模式控制策略结构的基础上，采用基于外环输出状态跟随和预同步控制的方法实现逆变器输出在切换前后的平滑切换方法，最后在仿真平台对所提策略进行验证，实验结果证明了所提策略的有效性。

关键词：逆变器；平滑切换；状态跟随；预同步

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.08.021

0 引言

微电网由于具有可以独立运行、灵活切换运行模式的优点，可以作为配电网的有效补充。微电网可以覆盖配电网供电经济性差的地区，如偏远山区、岛屿等，若这类地区由配电网供电往往由于架线等成本太高而得不偿失，而微电网可以为此类用户提供相对经济且高效的供电。微电网稳定高效运行要求具有良好的控制系统控制微电网的合理运行。由于微电网内分布式电源的特点，对于微电网的控制往往是通过逆变器进行，因而许多学者对微电网逆变器的控制策略展开了研究。文献[1]对分布式电源逆变器双环控制策略进行了研究，并对其未来的发展趋势进行了探讨；文献[2]对微电网逆变器的多换反馈控制策略进行了研究，提出利用下垂特性设计外环功率控制器，实现逆变器间的通信控制。

逆变器控制策略的平滑切换是实现微电网灵活切换运行模式的重要条件。文献[3]通过基于双环控制的反馈控制器，通过改进下垂控制和PQ控制实现主从控制微电网电压、频率的平滑控制；文献[4]采用分区控制结合主电源的双环控制方式对微电网从并网模式切换至孤岛运行进行研究，最终实现了平滑切换的目标；文献[5]提出一种新型锁相环减少主从微电网运行模式切换带来的振荡，实现了平滑切换控制；文献[6]基于能量守恒原理改进电压环调节器来抑制并网向孤岛切换过程的振荡；文献[7]通过在常规切换的基础上加入PI控制器进行跟随的方法减小切换过程中控制器外环输出的突变，从而减小波动实现平滑切换。

本文以主从型微电网主电源逆变器为对象，对其平滑切换控制策略进行研究，提出基于同步跟随和预同步的逆变器平滑切换控制策略，并通过仿真验证其有效性。

1 逆变器并网结构及控制策略

逆变器并网结构如图1所示，由逆变器、滤波器及线路阻抗三部分组成。其中角标i=a、b、c，代表a，b，c相关电量；Ui、Ii表示逆变器出口电压、电流；Uoi表示逆变器经滤波器滤波后的输出电压；Ioi代表逆变器经滤波器后的出口电流；U?i为逆变器接入交流母线端口电压； L?代表线路电感，R为线路电阻。

1.1 并网运行时逆变器控制策略

微电网并网运行时，配电网可以为微电网提供电压和频率基准，因此逆变器控制可以配电网的U、f为基准，此时分布式电源逆变器均采用PQ双环控制策略。

1.2 孤岛运行时逆变器控制策略

孤岛运行时，逆变器目前普遍采用的控制方法包含下垂控制和U/f控制。下垂控制是依靠电压、频率的差值来实现对无功功率、有功功率的控制，是一种调差控制，因此下垂控制适合于多台逆变器并联运行时的控制。本文采用蓄电池作为主电源，为此其逆变器采用U/f控制策略。

2 逆变器控制策略切换

主从型微电网在运行模式切换时，从电源逆变器控制保持PQ控制策略不变，主电源逆变器控制策略则需要随着运行模式的改变而进行切换。因此，逆变器的切换包含：微电网运行模式由并网切换至孤岛，逆变器相应的由PQ控制切换为U/f控制；微电网由孤岛切换至并网，逆变器重新切换至并网运行。

2.1 并网转孤岛时逆变器平滑切换控制

由前述分析可知，主电源逆变器在微电网由并网转孤岛运行时需要由PQ控制切换为U/f控制。在主电源逆变器进行模式切换时，由于外环生成的dq轴参考电流Idref、Iqref不同，若直接切换，因二者之间存在差值将导致电流环PI调节器输出项突变，引起逆变器的输出突变。

针对于此，本文提出一种基于U/f外环控制输出对PQ控制外环输出进行状态跟随的逆变器输出平滑切换控制策略，以d轴状态跟随控制为例。

其中微电网并网运行时开关K1在导通，K2断开。K3导通1通道；孤岛运行时，K1断开，K2导通，K3导通2通道。逆变器控制策略由PQ切换至U/f时，由于U/f控制外环输出已对PQ控制外环进行了状态跟随，逆变器输出将会平滑过渡。

2.2 孤岛转并网时逆变器平滑切换

孤岛运行时，主电源逆变器为其它分布式电源提供电压、频率基准。微电网重新并网运行时，为确保并网不对电网的运行造成大冲击，主电源逆变器并网前输出的电压幅值、频率及相位必须与配电网保持一致，为此需对其输出进行预同步控制，以满足并网条件。

本文采用如图5所示的逆变器预同步控制策略。通过以电网的实际值对主电源逆变器的输出进行预同步。Ugd、Ugq代表配电网低压侧电压幅值的d、q轴分量，Ud、Uq为微电网电压幅值的d、q轴分量。Udref-1、Uqref-1代表经过预同步控制后生成的电压参考值。在微电网与配电网电压之间存在差值时能不断地对微电网电压进行调节至二者相等，完成电压幅值的同步。

3 仿真及分析

本文在MATLAB/Simulink平台上搭建主从微电网逆变器模型。

负数代表消耗功率。微电网运行的时间节点，其中重新并网后由配电网提供功率缺额，蓄电池不再输出功率。

3.1 逆变器由PQ切换至U/f控制仿真及分析

微网并网时，主电源逆变器处于PQ控制状态；孤岛运行时，主电源蓄电池逆变器处于U/f控制状态。

主电源蓄电池切换过程输出功率和电流的变化曲线，蓄电池输出功率在切换后也仅仅出现非常小的超调量，并且迅速响应达到稳态，输出有功功率9kW，无功功率4kVar，及时填补了微电网功率缺额；蓄电池输出电流在切换瞬间平滑过渡到新的输出电流。由此可以看出，该策略能顺利实现蓄电池逆变器输出的平滑过渡，完成控制策略切换。

3.2 重新并网运行仿真及分析

蓄电池逆变器输出功率和电流在并网前后的变化曲线。重新并网后，由于配电网及时补充微网中的功率缺额，蓄电池逆变器不再输出功率；由于对逆变器输出进行了预同步，并网瞬间蓄电池逆变器出流母线电压频率仅有0.15 Hz左右的波动，波动非常小，顺利完成了切换。

4 结论

逆变器输出的平滑切换是微电网运行模式切换的基础。从仿真结果看，本文所提的基于外环控制输出状态跟随和预同步控制策略有效地实现了逆变器输出在切换瞬间波动小，达到了平滑切换的目标。

参考文献：

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[2]王成山，肖朝霞，王守相.微网中分布式电源逆变器的多环反馈控制策略[J].电工技术学报，2009，24（02）：100-107.

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