并网逆变器并联运行谐振分析及抑制策略.pdf

电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)研究与分析并网逆变器并联运行谐振分析及抑制策略尚扬，王永生，魏超，黄海宏（1.国网安徽省电力有限公司六安供电公司，安徽六安2 37 0 0 0；2.合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥2 30 0 0 9）摘要：针对采用LCL滤波的多并网逆变器并联工作在弱电网时面临的谐振风险，建立了多逆变器并联系统的数学模型。对多并网逆变器并联系统的谐振进行分析，采用新型并网电流反馈控制策略，优化设计参数，提升逆变器相位裕度和幅值裕度，有效抑制多并网逆变器并联系统谐振问题。最后通过MATLAB/Simulink仿真和试验平台，搭建两台并网逆变器并联运行，结果验证了所提策略的可行性。关键词：弱电网；多并网逆变器；电流反馈控制；谐振中图分类号：TM46文献标志码：A文章编号：2 0 95-8 18 8（2 0 2 3)0 6-0 0 18-0 5D0I:10.16628/ki.2095-8188.2023.06.003Resonance Analysis and Suppression Strategy for ParallelOperation of Grid Connected InverterSHANG Yang，W A NG Yo n g s h e n g ，W EI Ch a o ，H U A NG H a i h o n g(1.Lu an Power Supply Company,State Grid Anhui Electric Power Co.,Ltd.,Lu an 237000,China;2.School of Electrical Engineering and Automation,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)Abstract:Aiming at the resonance risk of the parallel operation of multi grid connected inverters with LCLfilter in weak pawe grid,the mathematical model of multi inverter parallel system is established.The resonance ofmulti grid connected inverter parallel system is analyzed.A new grid connected current feedback control strategy isadopted and the design parameters are optimized to improve the inverter phase and amplitude margins.Theresonance of multi grid connected inverter parallel system can be effectively suppressed.Finally,two grid connectedinverters are built in parallel on MATLAB/Simulink and experimental platform.The simulation and experimentalresults verify that the proposed strategy can be applied in the multi inverter parallel system.Key words:weak power grid;multi grid connected inverters;current feedback control;resonance0引 言目前采用多个并网逆变器并联运行来提高装机容量的方法使用得越来越普遍。在微电网系统中，需要将多台并网逆变器通过公共耦合点连接到电网并联运行，随着逆变器数的增加，系统的谐振机理也更加复杂。在多并网逆变器并联运行的系统中,公共耦合点存在的电网阻抗不能被忽略,因此在强电网背景下，传统并网逆变器（有源阻尼)所设计的参数无法保证系统稳定运行。在王永生（197 0 一）,男，工程师，主要从事调控运行管理工作。魏超(198 8 一）,男，工程师，主要从事智能电网调度控制工作。*基金项目：国家自然科学基金项目（5117 7 0 37)一18 一尚扬(1991一),男，工程师，主要从事微电网自动控制及电能质量治理研究。弱电网的环境下，多台逆变器并联后，系统不仅是并网逆变器通用的LCL滤波器自身的固有谐振 ，而且还有逆变器与电网之间以及逆变器之间的谐振。此外,随着逆变器并联数的增加,电网的等效阻抗也会增大,并且谐振频率点往低频发生偏移,进一步地增加系统谐振的风险,最终影响系统稳定运行。文献 2 基于弱电网的背景之下,建立多个光伏逆变器并联运行系统的控制模型，对电网阻抗的变化以及逆变器并联数目的增加在动态响研究与分析电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)应、电能质量和系统稳定等3个方面对多逆变器并联运行特性产生的影响进行了分析。文献 3分析了多逆变器并联系统的幅频特性,并指出对于并联系统中等效电网阻抗会随着并联逆变器的增加而增加。文献 4 在改变逆变器输出阻抗的基础之上，建立等效数学模型,并定量分析了逆变器并网系统耦合谐振的特性。文献 5 指出当两台逆变器并联时，在非同步运行的情况下，逆变器系统会出现与电网阻抗耦合的谐振尖峰和逆变器自身的固有谐振尖峰，且逆变器系统与电网阻抗耦合的谐振尖峰频率会随着逆变器数的增加而降低，此时并联系统会更容易在较低频段发生谐振。文献 6 在建立逆变器的闭环控制系统模型基础上，利用诺顿等效方法将逆变器侧等效成受控电流源并联导纳、网侧等效成电压源串联电抗的形式,定性分析了逆变器与电网之间以及逆变器之间的耦合谐振特性。文献 7 将逆变器网侧的并网电流分为逆变器之间的环流和逆变器并入电网的电流，随后分析了逆变器并联系统的谐振机理。文献 8 在光伏并网系统多逆变器系统的基础上,考虑系统结构和控制策略,利用戴维南等效模型构建系统的节点导纳矩阵，使用一种可以确定系统谐振频率、谐振中心以及各节点参与程度的模态分析法,研究系统谐振特性以及系统谐振随着逆变器的数目、输电距离以及外界环境变化之后的变化规律。文献 9 针对谐波电流的抑制，通过多比例谐振调节器来加人到电流环中，从而削弱电网的背景谐波对并网电流的影响。但是当电网频率波动时，对多比例谐振调节器参数的设计使得对电流环的控制效果被削弱。文献 10 在电流环中采用改进之后的比例谐振控制器准比例谐振控制器，降低控制器受到来自电网频率波动的影响，从而对谐波电流进行补偿，有效地降低电流谐波含量，达到抑制谐波电流的效果。文献 11 从两个方面人手构造虚拟阻抗来抑制多逆变器并联系统的谐振，一是通过公共耦合点处的电压前馈控制来构造虚拟阻抗，用来抑制由于电网中谐波电压所引起的阻抗网络谐振；二是利用一阶高通滤波器对并网电流进行滤波从而得到电流中的高频分量,并对其进行负反馈控制,形成虚拟阻抗,以此来增加系统自身的输出阻抗,抑制多逆变器并联系统产生的谐振。1多并网逆变器并联系统的数学模型多台并网逆变器通过公共耦合点并联在一起，再与电网连接。多并网逆变器并联系统结构如图1所示。图1中，L为电网阻抗中的电感成分。一般情况下,相对于电网阻抗,逆变器的输出阻抗要大得多，经常会忽略电网阻抗，即将电网看成是理想电网。但是在实际的情况下，比如分布式发电系统，此时电网阻抗不能忽略不计，因此在建立数学模型时需要考虑电网阻抗的影响。逆变器1LCL1C逆变器2逆变器图1多并网逆变器并联系统结构由于三相并网逆变器的结构对称性,故仅对单相形式进行研究,以单相模型进行建模与分析。n台三相并网逆变器并联系统的等效阻抗网络示意如图2 所示。Guinv1Gc1G12G22Uinv2Gc2Gun：Uinvn图2 n台三相逆变器并联系统等效阻抗网络示意通过图2，可得各逆变器支路电流与输出电压以及电网电压的关系，即iG12G21G22=：PCCLCL2LiCLnG21G2miGninv1G2nin2+：GLCG(1)GWinnnngn一19 一电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)研究与分析其中，其中,Gi=1/Zli,G2i=1/Z2i,Gci=1/Zci,Gg=1/G2;(Gi;+Gc;)2多并网逆变器并联系统的谐振分析由图2 可得，在多台并网逆变器并联运行系统内部存在的3种谐振类型：单台逆变器自身内部存在的谐振特性、多台并网逆变器之间的并联谐振、微电网系统和主电网之间的串联谐振。单台逆变器谐振的主要原因是其存在的LCL滤波器特性引起的，而多台并网逆变器之间的并联谐振则是因为逆变器之间相互干扰，与主电网产生的串联谐振则与两者之间连接的等效阻抗有关。在弱电网情况下，电网阻抗的影响必须考虑在内。在对其谐振特性进行研究分析时,为简化分析,设逆变器参数一致,且系统结构对称,Gi1=G22=Gm,G,（i+j)取值相等,Ggl=Ga=.=Ggn,i=i,=.=in,uinvi=Uin2=.=Uim,则式(1)可以化简成为i=Gu+(n-1)Gi2uinv+Ggug经过推导可得，并网电流到逆变器输人电压的开环传递函数Cianwopen为Fuinv_openLi(L,+nLg)Cs3+(L+L,+nL)s(5)式中：L,、L并网逆变器的桥侧和网侧滤波电感。在n台并网逆变器同时运行的并联系统中，其等效电网阻抗可以是单台逆变器运行系统中的n倍。推导出并联运行系统中单台逆变器的谐振频率fres为一2 0 一L+nL+1GL2eqiGeqGliG+GcnGeqk+Gk=1GGeuGlinG+GG,+GceqiGGnCou+G1L,+L,+nL(2)随着并联系统中逆变器数目增加,其谐振频率点也逐渐向低频发生偏移。多逆变器并联系统中单台逆变器的谐振特性Bode图如图3所示。(3)1500-1501020（。）-180上-360102图3多逆变器并联系统中单台逆变器的谐振特性Bode图3多并网逆变器并联系统的谐振抑制并网电流反馈有源阻尼方法可以有效抑制LCL型并网逆变器谐振尖峰,并且相比于采集电容电流进行反馈的策略，不需要新增传感器来采集状态量,降低硬件成本，且能提高系统可靠性。并网逆变器并网电流反馈有源阻尼控制系统原理如图4所示。irer为指令电流,G（s)为电流外环调节器，用来实时地调节并网电流。VTIVT3VT5K本K本K本(4)ua+CdUe直流源K本K本K本CTCCbVT2AVT44VT6PWM调制有源阻尼调节器图4并网逆变器并网电流反馈有源阻尼控制系统原理并网电流反馈控制策略如图5所示。图5为12元LC(6)台数的标注103104频率/Hz(a)幅频特性103104频率/Hz(b)相频特性L1aubtYLbuLIC105n=1n=5n=ion-2010abclaabclaPL十+区sino区lref研究与分析电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)u)inv(s)X4仿真分析i.(s)1u.(s)sCkas图5并网电流反馈控制策略电流反馈控制多台三相LCL型逆变器并网，有源阻尼控制调节器为常规的一阶负高通滤波器。图5中,ka为负高通滤波器的增益，wh为负高通滤波器的截止角频率。考虑到弱电网中多并网逆变器并联运行会导致逆变器LCL滤波的谐振频率下降，引起系统谐振。本文采用在一阶负高通滤波器中串联低通滤波器组成新型有源阻尼反馈调节器，通过合理的参数设计，可以满足在高频和低频有足够的增益，使得系统具有较好的相位裕度和幅值裕度。新型并网电流反馈控制策略如图6 所示。ireft?.(S)G(s)H3+S为验证本文所提出的新型并网电流反馈的有源阻尼策略在并联系统的可行性，在MATLAB/simulink中搭建两台并网逆变器并联运行仿真模型。并网逆变器系统参数如表1所示。表1并网逆变器系统参数参数数值额定功率/kW12Ude/V400Li/mH1.0Cde/F12未采用改进有源阻尼策略时单机与双机并网电流仿真波形如图8 所示。对比图8（a)和图8（b）可见，当双机并联运行时，并网电流的THD上升，并网电流中谐波分量有所u(s)增加。i.(s)s(L,+nL参数L,/mH电网线电压/V开关频率f/kHz采样频率f./kHzTHD-9.98%-AIP-V001)0数值0.41901020图6 新型并网电流反馈控制策略时间/(2 0 msdivl)(a)单机运行采用新型并网电流反馈控制策略，控制器参7电网共-AIP-V001)数不变的情况下，网侧电感L，变化50%150%时系统开环特性Bode图如图7 所示。100P/0-10010l0（。）-180-36010l图7网侧电感L,变化50%150%时系统开环特性Bode图由图7 可知，新型并网电流反馈控制策略使得系统能够保证较好的相位裕度（约90）和幅值裕度（约10 dB），可有效抑制多并网逆变器并联系统谐振问题。THD-22.19%0时间/(2 0 msdivl)-150%L2100%L250%L2102103频率/Hz(a)幅频特性102103频率/Hz(b)相频特性(b)双机并联图8 未采用改进有源阻尼策略时单机与双机并网电流仿真波形104105-150%L2100%L2-50%L2104105采用新型并网电流反馈的有源阻尼策略，进行相应的仿真。采用有源阻尼策略时双机并网电流仿真波形如图9所示。由图9(a)可见，并网电流质量得到有效提高，谐振电流也得到有效抑制，THD满足并网电流要求。同时，由图9(b)可见，当参考电流从50 A降低到30 A时，并网电流反馈控制策略保证了并联系统具有较好的稳态和动态性能。5实验搭建实验平台对新型并网电流反馈控制策略的有效性进行实验，实验平台参数与仿真参数保持一致,加入新型并网电流反馈控制策略前后对一.2 1 一电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)研究与分析80400-40-800.150.160.170.180.190.200.210.220.230.246040V/电网#200-2040-60图9采用有源阻尼策略时双机并网电流仿真波形比并网电流。有无采用有源阻尼策略时双机并网电流波形如图10 所示。0,2,350A/div(a）未采用有源阻尼策略2/015132,2,350A/div图10 有无采用有源阻尼策略时双机并网电流波形6结 语采用LCL滤波的并网逆变器并联运行在弱电网情况下会有谐振风险。本文采用新型并网逆变器电流反馈控制策略，经过仿真和实验验证,该控制策略可提升逆变器的相位裕度和幅值裕度，对于抑制多并网逆变器并联系统谐振问题具有良好效果，可以应用于多逆变器并联系统中。一2 2 一【参考文献】1 蒋奖，杨姬.LCL并网逆变器改进降阶控制方法J.电器能源与管理技术,2 0 19（16）：33-39,48.2严干贵，常青云，黄亚峰，等.弱电网接入下多光伏逆变器并联运行特性分析J.电网技术,2 0 14，时间/s38(4):933-940.(a)稳态电流3AGORRETA JL,BORREGA M,LOPEZ J,et al.Modeling and control of N-paralleled grid-connectedinverters with LCL filter coupled due to gridimpedance in PV Plants J.IEEE Transactions onPower Electronics,2011,26(3-4):770-785.4YU C Z,ZHANG X,LIU F,et al.Modeling and0.160.18(b)动态电流20ms/div50:0AA0Main:1251(b)采用有源阻尼策略0.20时间/s?20ms/div0.220.2420ms/div0.26resonance analysis of multi-parallel inverters systemunder asynchronous carriers conditions J.IEEETransactions on Power Electronics,2017,32（4):3192-3205.5余畅舟.组串式光伏并网逆变器谐振特性及其抑制策略的研究 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