虚拟振荡器控制的新型逆变器无线并联方案

第36卷第15期中国电机工程学报Vol.36No.15Aug.5,201641842016年8月5日ProceedingsoftheCSEE©2016Chin.Soc.forElec.Eng.DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.151416文章编号：0258-8013(2016)15-4184-08中图分类号：TM46虚拟振荡器控制的新型逆变器无线并联方案屠勇，苏建徽，杨向真，杜燕(合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心，安徽省合肥市230009)ANovelVirtualOscillatorControlinWirelessParallelConnectedInvertersTUYong,SUJianhui,YANGXiangzhen,DUYan(PhotovoltaicResearchCenterofMOE,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,AnhuiProvince,China)ABSTRACT:Thispaperpresentedavirtualoscillatorbasedcontrolforparallelconnectedinverterswithadaptivecharacteristic.ThiscontrolmethodmadeinvertersequivalentperformancesasaRLCresonancecircuitparallelwithanadaptivemodule,whichhaddualnaturewithcontrolledcurrentsourceandcontrolledlinearresistance.Invirtualoscillator，thevalueofadaptivemodulecouldbecontrolledbyterminalvoltageandoutputcurrent，madeoutputsofthemodelsinparallelsystemcouldbesynchronousoperation,reducecircularcurrentgradually.Bythismean,threesingle-phaseinvertersforthesamecapacityparalleloperationwasrealized.Anditcouldmaintaintheamplitudeandfrequencyofterminalvoltagewhenloadchanged,makeoutputvoltagecharacteristicsofparallelsystemcontrolledbythismethodharder.ThefeasibilityofcontrolmethodwasconfirmedbyMatlab/Simulink.KEYWORDS:virtualoscillator;invertercontrol;parallel摘要：该文提出了一种基于虚拟振荡器特性的具有自适应功能的逆变器无线并联控制方案，该方案使逆变器对外等效表现为一种RLC谐振电路和一个具有受控电流源与可控线性电阻双重特性的自适应模块并联的性质。虚拟振荡器的自适应模块通过端电压与输出电流协调控制，使并联系统各单元的输出可以同步运行，逐步减少环流。利用该方法控制3台容量相同的单相逆变器并联运行，而且在负载突变过程中能够保持端电压幅值与频率基本稳定，使得通过该方法控制的并联系统对外表现的电压特性更硬。论文通过Matlab/Simulink仿真验证了该方案的可行性。关键词：虚拟振荡器；逆变器控制；并联0引言随着电力电子技术的发展，单台逆变器的容量基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目(51307042，51407057)；安徽省自然科学基金青年科学基金项目(1408085QE97)。ProjectSupportedbyYouthScienceFundProjectofNationalNaturalScienceFund(51307042,51407057);YouthScienceFundProjectofAnhuiProvinceScienceFund(1408085QE97).很难满足要求。为了打破逆变电源在功率等级上的局限，实现冗余设计，逆变器并联技术得到了广泛运用[1]。逆变器并联方案一般分为4种：集中控制、主从控制、分散逻辑控制和无互联线并联控制[1-3]。目前较为常用且研究较多的为无互联线并联控制方案，文献[2-5]叙述了其特点，并提出了基于有功和无功的下垂法控制。利用该方法调节并联系统中逆变器输出电压的幅值与频率，使并联各单元逐步实现负载均分。下垂法控制也有局限性，当下垂系数较小时，负载均分效果就会变差，当下垂系数较大时，带较重负载又会使电压幅值与频率严重偏离额定值[4-7]。有文献提出了类功率法的逆变器并联控制方案[8]、预测法控制方案[9]和变下垂系数法控制方案[10]，以试图解决以上问题。逆变器无线并联控制方案应具有以下基本功能：1）能够实现负载均分，逐步减少环流；2）并联系统的输出电压在负载变化时能够保持基本稳定，跌落不明显；3）能够快速响应。目前，大部分文献与参考资料是基于功率下垂法的思想对逆变器并联控制方案进行讨论的，本文尝试根据一种虚拟振荡器控制方法来分析和优化逆变器并联控制方案。文献[11-16]提出一种具有并联振荡电路特性的逆变器及其并联系统控制方法，即虚拟振荡器控制。图1所示的两台采用虚拟振荡器控制的逆变器并联系统，其基本原理是采用一个具有受控电流源与阻值可控电阻双重特性的模块(source-resistancemodel，SR)同电阻、电容和电感四者并联谐振产生正弦交流电压，作为逆变器交流输出参考电压。谐振电阻、电容、电感的大小分别是ROS、COS、LOS，虚拟振荡器输出电压是uO，输出电流是iload，流过SR模块的电流是iSR。振荡电路是虚拟第15期屠勇等：虚拟振荡器控制的新型逆变器无线并联方案4185图1虚拟振荡器控制的逆变器并联系统结构Fig.1Systemstructureofparallelconnectedinverterswithvirtualoscillatorcontrol的，可通过数字控制器实现。逆变器电路的直流侧电压是UDC，输出滤波的电容与电感分别是Cf和Lf，并联时线路阻抗大小是Znet，公共负载阻抗大小是Zload。负载电流反馈系数与振荡器电压系数分别是ki和ku。采用基于虚拟振荡器的控制方法可以不用模拟同步机的自下垂特性，同时也不用采样和计算逆变器输出有功功率和无功功率作为控制变量[11]。只要虚拟振荡器参数满足一定条件，便可以使并联系统中各逆变器实现同步运行，达到负载均分的效果。由于采用虚拟振荡器控制的逆变器对外表现出并联振荡电路的特性，因此当负载突变时，采用文献[11]的方法会比较明显地影响单台逆变器的输出电压幅值和频率，使逆变器及其并联系统的输出电压偏离额定值。在此基础上，本文提出一种改进的，具有自适应功能的虚拟振荡器控制方案，该方案实时采样单台逆变器控制模块中虚拟振荡器电路的输出电压与输出电流，通过二者的协调控制使逆变器并联系统具有在负载突变过程中保持端电压基本稳定的功能，同时满足并联各模块同步运行的条件。本文先后分析了振荡器自激振荡条件、并联同步条件和影响系统输出电压稳定的外部因素，由以上3方面综合分析得出通过负载电流补偿的虚拟振荡器电压自适应控制方案。1振荡器电路模型与自激振荡条件1.1振荡器电路的结构LC振荡回路是由电感和电容两种不同储能元件构成的闭合回路，其储能会在电场和磁场之间往返转换。回路的振荡频率取决于电感量大小LOS和电容量大小COS[17-18]。设振荡频率为ω0，其大小为0OSOS1LCω=(1)若电容上有初始电压uC(0)=UCm，那么稳态时振荡电路输出电压uO大小为OCm0()cos()utUtω=(2)本文介绍的振荡器需要在稳态时振幅稳定于Um，且Um不一定等于UCm。如图2所示，在LC振荡回路上并联一个阻值大小为ROS的电阻和一个具有受控电流源以及阻值可控电阻二重特性的模块，即引言中提到的SR模块。SR模块受控于振荡电路的输出电压uO，可根据控制量的大小在受控电阻和受控电流源两种模式切换[11]。(a)SR模块作用于受控电流源模式(b)SR模块作用于可控电阻模式图2振荡器电路结构Fig.2Circuitstructureofoscillator设gSR为SR模块的等效电导值，则gSR的大小为SRSRO/giu=(3)设图2(b)的iSR的方向为参考正方向，若式(3)中iSR的方向与参考方向相同，则gSR0，SR模块体现为电阻性质；反之gSR0，SR模块体现为负阻性质。图3为SR模块受控于输出电压uO的函数模型[11]。从SR模块的函数图像可以得出，当振荡−UmUmuO−gSRgSRiSR=f(uO)图3SR模块函数模型Fig.3FunctionmodelofSR4186中国电机工程学报第36卷器电路输出电压幅值绝对值大于Um时，模块SR吸收能量，呈现电阻特性；当振荡电路电压幅值小于Um时，模块SR发出能量，呈现电流源特性。函数图像中各分段函数的斜率绝对值为gSR，其分段函数表达式为SROSROmOSROSRmOmSROmOmm,(,),gugUuUfugugUuUguUuU−+⎧⎪=−−⎨−⎪⎩(4)令1/ROS=GOS，根据基尔霍夫电流定律和电压定律，将式(4)代入图2所示振荡器电路，列出系统微分方程如下[17-19]：OSOSSOOROOS()()(dd[()]d0d)utCGguttLutt+±+=(5)整理式(5)，可得到SR模块分别工作于电阻状态和电流源状态的振荡器系统微分方程如下：2OOOSOSOSOSSRO2d()d()0()d)(dututLCLGguttt+++=(6)2OOOSOSOSOSSRO2d()d()()()0ddututLCLGguttt+−+=(7)1.2振荡器的自激振荡与衰减振荡令rSR=1/gSR，由图3的函数模型和式(7)可以得出当SR模块工作于电流源状态且振荡器输出交流电压幅值为Um时，若rSR=ROS，振荡器电路会以幅值为Um，频率为ω0作等幅振荡[11,17]。考虑到并联各逆变器的虚拟振荡器控制系统初始输出交流电压幅值不一定为Um，振荡器电路必须有衰减振荡或自激振荡到Um的过程。当振荡器电路电压幅值高于Um时，SR模块工作于电阻状态，系统衰减振荡。当振荡器电路电压幅值低于Um时，SR模块工作于电流源状态，且要求SR模块发出的能量大于电阻ROS消耗的能量，系统自激振荡。文献[11]处理振荡器自激振荡的方法是让图3中函数图像各分段斜率绝对值gSR略大于GOS，且该文献指出当gSR增大时，系统幅值自激振荡到Um所用时间减少，动态性能得到优化，但是稳态时振荡器输出交流电压幅值和频率会偏离额定值，波形畸变较大。本文针对处理系统自激振荡的情况提出两种改进方法。在图4(a)中，如果SR模块检测到振荡器输出电压uO幅值高于Um，那么图3中函数iSR=f(uO)的各分段斜率绝对值，即gSR等于振荡电开始否是SROSOS1/gRG==OSOSOSSR10mF1mH101SCLRg=⎧⎪=⎪⎨=Ω⎪=⎪⎩omuU？结束(a)线性化算法开始否是OSOSOSSR10mF1mH101SCLRg=⎧⎪=⎪⎨=Ω⎪=⎪⎩结束omuU？SRGmOOS()gkUuG=−+(b)改进后非线性算法图4SR模块函数算法框图Fig.4ProgramblockofSR阻的电导值GOS。图4(b)中gSR随着uO的幅值与Um的接近缓慢变化。SR模块等效电导值gSR受振荡器输出电压uO的大小而改变，使SR函数非线性化。设振荡器电容电压初始值为100V，分别就文献[11]的自激振荡方法和本文第一种改进方法作仿真对比，仿真参数设置如图4的算法框图所示，振荡器系统额定电压幅值是31