多储能逆变器并联系统在微网孤岛条件下的稳定性分析及其控制策略_徐少华

第41卷第10期：3266-3273高电压技术Vol.41,No.10:3266-32732015年10月31日HighVoltageEngineeringOctober31,2015DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.2015.10.011多储能逆变器并联系统在微网孤岛条件下的稳定性分析及其控制策略徐少华，李建林，惠东（中国电力科学研究院，北京100192）摘要：多台储能逆变器在微网孤岛条件下并联运行时，需要为整个微网系统提供稳定的电压频率支撑，但逆变器等效输出阻抗和线路阻抗的差异会造成功率分配不均以及环流过大等问题，从而导致整个微网系统的不稳定。为了解决上述问题，可以在传统P-U、Q-f（调整有功功率来稳定微网电压、调整无功功率来稳定微网频率）下垂控制策略的基础上采用虚拟阻抗技术，通过对虚拟阻抗的设计将所有逆变器的等效输出阻抗设计为阻性，从而实现负荷功率的均分。从多储能逆变器并联系统的拓扑结构入手，分析了储能逆变器并联系统的功率流动特性并建立其输出阻抗模型；对整个系统的控制策略进行详细的介绍，包括引入虚拟阻抗的下垂控制策略以及储能逆变器的双闭环控制策略；根据阻抗稳定性分析法，分析了逆变器滤波参数和控制参数对整个系统稳定性能的影响，基于该工况可以发现当滤波电感L增加到5mH时，逆变器并联系统趋于不稳定；虚拟阻抗系数kL增大到3时，系统阻抗比乃奎斯特曲线越过拒绝域，同时也会使系统的等效输出阻抗由偏阻容性变成感性，不利于高次谐波的抑制；而虚拟阻抗系数RD增大可以加强功率均分效果且对系统的稳定性影响较小。仿真结果说明，在该工况条件下，通过合理的设计逆变器输出阻抗，可以使多逆变器间的环流最大值由30A降低到3A以内，从而保证光储微网在孤岛条件下的稳定运行。关键词：逆变器并联；功率均分；阻抗稳定性；下垂控制；虚拟阻抗；光储微网StabilityAnalysisandControlStrategyofParallelStorageInverterSystemWorkingUndertheMicro-grid'sIslandConditionXUShaohua,LIJianlin,HUIDong(ChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing100192,China)1Abstract：Whentheparallelbatteryinvertersworkunderthemicro-gridislandmode,theparallelsystemneedstoprovideastablevoltageandfrequencysupportforthemicro-grid,butthedifferencesofinverters'equivalentoutputimpedanceandthelineimpedancemaycausetheproblemofpowersharingandcirculatingcurrent.Inordertosolvetheseproblems,onthebasisoftheconventionalP-UandQ-fdroopcontrolstrategy,thevirtualimpedanceisproposedtoredesigntheconverters'equivalentoutputimpedanceaspureresistanceandthenthepowersharingperformancecanbeimproved.Be-ginningwiththemulti-inverterparallelsystem'stopology,weanalyzedthepowerflowcharacteristicsofthesystemandestablisheditsoutputimpedancemodel;Theentiresystem'scontrolstrategywasintroducedindetailincludingthedroopcontrolwiththeintroductionofvirtualimpedanceandtheinverter'sdouble-loopcontrol;Theinfluenceofthefilterandcontroller’sparameterwasanalyzedaccordingtotheimpedancestabilityanalysismethod.Basedontheworkingcondi-tioninthearticle,wecanfindthatwhenthefilterinductorincreasesto5mH,theinverterparallelsystemtendstobeunstable;WhenthevirtualimpedancecoefficientkLincreasesto3,thenyquistcurveofsystem’simpedanceratiowillgocrosstherejectionregion,andthesystem'sequivalentoutputimpedanceturnsintoinductiveoneagainsthigh-frequencyharmonicsuppression;TheincreaseofvirtualimpedancecoefficientRDcanstrengthentheeffectofpowersplitandslightlyaffectsthesystem’sstability.Basedontheworkingconditioninthearticle,thesimulationresultsindicatethattheproposedcontrolstrategycandecreasethemaximumcirculationcurrentbetweenthemultipleinverterfrom30Ato3A,whichcanensurethestabilityofthePV/batterymicro-gridsystem.Keywords：parallelinverter;powersharing;impedancestability;droopcontrol;virtualimpedance;PV/batterymicro-grid———————基金资助项目：国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2014AA052004)；国网公司科技项目(DG71-15-039)。ProjectsupportedbyNationalHigh-techResearchandDevelopmentProgramofChina(863Program)(2014AA052004),ScienceandTechnologyProjectofSGCC(DG71-15-039).徐少华，李建林，惠东：多储能逆变器并联系统在微网孤岛条件下的稳定性分析及其控制策略32670引言微网系统以其灵活可靠的发电模式，近年来受到越来越多的关注，微网中分布式电源与储能系统在公共连接点处并入微电网，再连接至大电网，或与大电网互为支撑，或独立运行为本地负载提供能量[1-2]。随着储能技术的快速发展，大规模储能电站已成为微网系统中不可缺少的微源，特别是在孤岛运行模式下，储能系统可以为整个微网提供电压和频率支撑[3-4]。但在多台储能逆变器并联系统中，每台逆变器控制参数和滤波器参数的不同会使各逆变器的等效输出阻抗存在差异[5]；同时各逆变器与公共连接点距离的不同使线路阻抗也存在差异[6-7]。上述问题均会导致逆变器间环流增大，导致整个微网系统工作异常，甚至会烧毁功率器件。因此，多台储能逆变器并联系统的功率均分控制及其稳定性分析，成为保证微网孤岛模式下正常运行的重要问题[8]。要实现功率均分和环流抑制，国内外学者对类似于传统同步发电机下垂特性的下垂控制策略进行了大量的研究。而Middlebrook提出的阻抗分析[9]法也被广泛应用于级联系统的稳定性分析。文献[10]基于下垂控制，对逆变器采用瞬时电压外环、电容电流内环的双闭环控制策略，但是没考虑不平衡线路阻抗对功率均分的影响。文献[11]增加了抑制无功环流的输出阻抗调节环，起到了一定的功率均分效果，但调节能力有限。文献[12]通过引入虚拟阻抗来调节输出功率的大小，减弱了线路参数不一致造成的功率不均问题，但其设计的等效输出阻抗过大，影响了逆变器的输出能力同时还降低了系统的稳定性。文献[13]通过坐标变换，对虚拟功率进行控制，实现了低压微网的解耦控制。但是由于各个分布式电源到公共连接点之间的距离不固定，无法完全实现解耦控制。文献[14]基于微网孤岛运行时多逆变器并联的特点，提出了一种导纳域的稳定性判断方法。对此，本文从储能逆变器并联系统的拓扑结构入手，根据级联系统的稳定性判据分析了逆变器并联系统中不同参数对系统稳定性的影响；在传统下垂控制策略的基础上，提出一种虚拟阻抗的设计方法，将逆变器等效输出阻抗设计为纯阻性，减小逆变器参数差异和线路阻抗差异对功率平均分配的影响；逆变器电压外环控制器采用准比例谐振即准PR(proportional-resonant)控制来改善逆变器电压跟踪效果，减小各台逆变器输出电压之间的偏差；电流内环采用电容电流比例控制来提高系统响应速度和抗干扰能力。最后，在Matlab仿真平台上对所提方法进行了验证。1多储能逆变器并联系统及多环控制理论1.1储能逆变器并联系统结构本文所做的研究是基于多台功率等级相等的储能逆变器并联系统，其拓扑结构如图1所示，其中包括电池储能、逆变器、LC滤波器、线路阻抗和负载。采集各逆变器的输出电流Ii、输出电压U0i以及电容电流Ici(i=1，2，...，n)，通过下垂控制器得到各逆变器的驱动信号。从图中可以看出，逆变器的控制参数、LC滤波器参数和线路阻抗参数的不同，都会造成逆变器的输出功率不均分，使系统间存在环流，从而对系统的稳定性造成不良的影响。将图1简化为两台逆变器并联的结构如图2所示，其中Ei(i=1，2)为逆变器空载输出电压，Ri+jXi为逆变器等效输出阻抗，Rlinei+jXlinei为线路阻抗，Pi、Qi为逆变器输出功率，Zload为负载阻抗，U为负载电压，Ui为仅考虑线路阻抗影响下的逆变器等效输出电压，δi为Ui与U之间的相角差，φi为逆变器空载输出电压与负载电压间的相位差。图1逆变器并联系统结构Fig.1Architectureofinverterparallelsystem3268高电压技术2015,41(10)根据文献[15]的分析可知，逆变器的有功功率输出主要由电压差(Ei−U)和逆变器输出阻抗决定；无功功率输出主要由相位差φi、有功功率Pi和逆变器输出阻抗决定。因此在逆变器功率等级相同的条件下，且将逆变器的等效输出阻抗设计成远远大于线路阻抗，则只需要满足逆变器输出电压Ei相同，就可以实现功率的均分。1.2多环控制策略逆变器并联系统多环控制策略包括下垂控制环及逆变器控制环。根据上述对逆变器并联系统的功率传输特性分析，可以得到其下垂控制策略框图如图3所示。图中逆变器输出无功功率Qi经下垂系数m后与角频率给定值ω*做差，经积分环节得到旋转角度ωt，图中kr1为积分环节的积分系数；逆变器输出有功功率Pi经下垂系数n后与电压给定值E*做差，得到电压有效值E；通过锁相环节(PLL)得到预同步相位信号。最终合成得到逆变器电压外环的电压参考信号为*ref2sin()UEtωϕ=+(1)逆变器采用传统瞬时电压外环和电容电流内环双闭环控制。在控制器的选择上，本文选用了准PR控制器[16]，其传递函数如下式所示，式中kp为比例系数，kr为积分系数，ωr为截止角频率，ω为基波角频率。22PRprrr()2/(2)Gskksssωωω=+++(2)由此可以得到本文逆变器所采用的双闭环控制策略框图如图4所示。图中kpc为电流环比例系数