逆变器电压型控制策略切换方法

黄家豪，王金全，黄克峰，陈静静

(陆军工程大学 国防工程学院，江苏 南京 210007)

0 引言

随着能源短缺和环境问题不断加剧，传统集中式供电技术的缺陷日益凸显，分布式可再生能源发电得到广泛关注和发展[1-2]。可再生能源由于其发电的不可控性，常应用于接入微电网示范工程，以并网或孤岛模式运行[3]。逆变器作为交直流的接口装置，其控制策略决定了微电网的运行状况，直接影响着系统运行的稳定性和可靠性。

逆变器常用的控制策略可分为恒功率(PQ)控制、恒压/恒频(V/f)控制、下垂控制以及虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制等多种，其中PQ控制属于电流型控制，V/f控制、下垂控制和VSG控制属于电压型控制[4]。针对系统不同的运行模式，逆变器需采用不同的控制策略，以微电网并网和孤岛模式切换为例，文献[5]～[7]提出双模式逆变器，并网运行采用电流型控制，孤岛运行采用电压型控制，并研究了逆变器在电压型与电流型控制之间的切换方法，能够满足微电网运行需要，但并网运行时过多电流源的接入会给系统的稳定性带来影响。文献[8]和[9]分别采用下垂控制和VSG控制作为逆变器的控制策略，可同时适用于并网和孤岛模式，且两者均为电压型控制策略，避免了电流源的引入，但采用单一控制策略难以满足系统多种运行状况的需求，而多控制策略之间涉及切换问题，现有的控制策略切换研究多集中于电流型与电压型之间的切换，有关逆变器电压型控制策略间的无缝切换方法尚无相关成果。

为此，本文以采用电压型控制的逆变器为研究对象，针对其控制策略切换问题，提出了一种切换方法，可实现逆变器电压型控制策略无缝平滑切换，避免切换过程中输出电压突变对系统稳定性造成的影响，并利用MATLAB/Simulink仿真软件验证了所提方法的有效性。

1 逆变器电压型控制策略结构

逆变器的控制多使用双环控制或多环控制，外环主要用于实现具体控制策略，输出作为参考信号传递到内环；内环则主要进行逆变器输出调节，提高逆变器输出的电压电流质量[10]。逆变器电压型控制结构如图1所示，从外环设计的角度，逆变器电压型控制策略有V/f控制、下垂控制、VSG控制等多种，但其内环结构相同。

图1 逆变器电压型控制结构图

2 逆变器电压型控制策略切换的影响

在系统运行过程中，针对不同的运行情况，逆变器的控制策略往往需进行切换，以达到最优运行效果，由于电压型控制输入内环的都是有关电压的参考信号量Ud0、Uq0、θ，因此可以共用一个内环。由于电压型控制策略的外环是独立互不影响的，因此在当前控制策略运行时，其余控制策略的外环正常运行，只不过其产生的Ud0、Uq0、θ不送入内环，由此可见不同电压型控制策略外环产生的Ud0、Uq0、θ会存在频率、相位及幅值的差别，在控制策略切换的过程中，造成输出电压的突变，对系统稳定性造成影响。以下垂控制切换到V/f控制为例，在MATLAB/Simulink软件中进行仿真，得到的输出电压和频率波形如图2所示。

从图2中可以看出，在3.5 s模式切换时刻电压和频率都会产生突变，将对系统的稳定造成影响，当突变严重时，甚至会导致保护动作发生，即系统崩溃。

图2 逆变器从下垂控制切换到V/f控制输出波形

3 逆变器电压型控制策略切换方法

针对逆变器电压型控制策略切换前后电压幅值、频率和相位参考存在差别导致切换时电压突变的问题，本文提出在切换后的模式中以增加补偿量的方式消除控制策略切换前后参考量的差别，实现无缝切换，逆变器电压型控制策略切换方法的控制框图如图3所示。

图3 逆变器电压型控制策略切换方法的控制框图

其中，Vg、ωg和θg分别为当前控制策略产生的三相电压幅值、角速度和相位参考；V、ω和θ分别为切换后控制策略产生的三相电压幅值、角速度和相位参考。将Vg和V做差后送入PI控制器，输出幅值补偿值ΔV给切换后控制策略，切换后控制策略原有的电压幅值参考值加上幅值补偿值ΔV作为新的电压幅值参考值，频率参考补偿值和相位参考补偿值可同理得到。

通过增加补偿量的方式可实现切换瞬间两个控制策略产生的三相电压幅值、角速度和相位参考一致，切换完成后补偿量需去除，为防止补偿量去除时三相电压幅值、角速度和相位参考的跳变，记控制策略切换时的补偿量为ΔX，将ΔX与0分别作为数值缓冲器的初值与终值，经过数值缓冲器的调节，使ΔX逐渐过渡到0，从而保证控制策略的平滑切换，数值缓冲器的调节如式(1)所示。

(1)

式中：Δxt为补偿量的过渡值；T为从初值到终值的过渡时间；Δx为步长，满足Δx=ΔX/T。为防止过渡过程过快产生的电压和频率突变，过渡时间T应当大于逆变器的瞬态电压及频率稳定时间。

4 仿真验证

为了验证上述模式切换控制方法的可行性，采用MATLAB/Simulink仿真软件，搭建了包含V/f控制和下垂控制的逆变器系统仿真模型。采用上述控制策略切换方法后，以下垂控制切换到V/f控制为例，逆变器输出电压和频率波形如图4所示。

图4 加入控制策略切换方法后逆变器输出波形

从图4中可以看出，在3.5 s模式切换时刻电压和频率均能够平滑过渡，无突变，验证了所提逆变器电压型控制策略切换方法的有效性。

5 结论

本文以采用电压型控制的逆变器为研究对象，针对其控制策略切换问题，提出了一种切换方法，通过增加补偿量的方式实现切换瞬间两个控制策略产生的三相电压幅值、角速度和相位参考一致，进一步加入数值缓冲器防止补偿量去除时三相电压幅值、角速度和相位参考的跳变，保证控制策略的平滑切换。最后，利用MATLAB/Simulink仿真软件验证了所提逆变器电压型控制策略切换方法的有效性。