潘李克，李忠，麻王崇，杨成丰，黎燕
（1．浙江温州永嘉县电力实业有限公司，浙江 温州 325100；
2．中南大学自动化学院，湖南 长沙 410083）
为提高分布式电源的利用率和经济效益，一般将分布式电源、负荷、储能装置及控制装置有效整合成一个微型电力系统，即微电网。微电网既可工作于并网模式下，也可工作在孤岛模式下。孤岛模式下的微电网脱离了大电网支撑，想要维持电压幅值和频率，可使DG并网逆变器采用模仿同步发电机外特性的下垂控制[1－3]。
基于线路等效感性阻抗实现的传统下垂控制与低压微电网线路等效阻抗呈阻性的矛盾，容易引起并联运行的逆变器相互之间功率分配不合理以及运行稳定性差的问题，进而引起逆变器相互之间的环流和降低微电网输出电压质量[4－6]。微网中多个微源并联运行，对多逆变器稳定运行控制技术的研究提出了更高的要求，相关研究对其运行可靠性提供了关键的技术保证[7－8]。
带可重构逆变器的孤岛微网系统拓扑结构如图1所示。其中逆变器1为可重构逆变器，逆变器2为传统的三相六开关型逆变器。逆变器1与逆变器2的输出侧均采用一组LC滤波器来抑制高次谐波。Zline1、Zline2分别为逆变器1与逆变器2的等效线路阻抗，PCC为连接并联逆变器的公共母线，Zload为公共负载的等效阻抗，V1～V6是功率开关器件IGBT。
图1 带可重构逆变器的孤岛微网的拓扑结构
在逆变器 1 中，TR1、TR2、TR3、和 TR4是三端双向可控硅开关，它们共同构成了逆变器1的可重构拓扑结构。当逆变器1中的某个功率开关管发生开路故障时，只需接通相应的双向可控硅开关。故障相的中点连接到直流侧电源的中点O，逆变器1结构重构，故障相由直流侧电源替代，逆变器1由三相六开关型结构转换为三相四开关型结构。
从图1中可以看出，孤岛微网系统有四种运行状态：
（1）逆变器1和逆变器2都处于正常工作状态，两个逆变器均为三相六开关型结构；
（2）逆变器1正常工作，逆变器2发生故障，则逆变器2被切除，逆变器1正常运行；
（3）逆变器1发生故障，逆变器2处于正常工作状态，则逆变器1重构拓扑结构，由三相六开关型拓扑转化为三相四开关型拓扑，继续参与到孤岛微网系统的运行中；
（4）逆变器1与逆变器2均有故障，逆变器1结构重构，逆变器2不具有重构能力被切除。
根据上述孤岛微电网系统的四种运行状态可知，由于逆变器1灵活的重构能力，使孤岛微电网在任何一个运行模式总是会继续正常运行，因此可知该带可重构逆变器的孤岛微电网系统具有高可靠性。
以逆变器1中V1故障重构后为例。如果逆变器1故障，通过故障诊断算法后[9]，诊断出V1故障，则接通三端双向可控硅开关TR4，c相桥臂被直流侧电源替代，逆变器1剩下五个功率开关管V2、V3、V4、V5和 V6。当逆变器 1 的故障开关确定后，根据剩余两相中的开关器件的开关状态，该并联逆变电路有6种不同的电路结构。本文以逆变器1开关状态（0，0）和（0，1）为例，分析逆变器 1 与逆变器2并联时的环流情况，如图2所示。
图2 逆变器1与逆变器2之间的环流
图2是逆变器1与逆变器2的简化电路图。为了分析方便并且能简化计算，设置逆变器1与逆变器2的等效输出阻抗相等，且为Z。在图2（a）中存在两条电流环流 iH1、iH2，
同样，在图2（b）中存在两条电流环流 iH3、iH4，
其余电路结构都有与图2所示相似的环流情况，可以用下面两种进一步简化的等效电路表示。
图3 对应图2的简化等效环流电路
由图3可以推导出逆变器1与逆变器2间环流的统一表达形式为：
图3（a）中，当 Udc1≠Udc2时，
在图3（b）中，当 Udc1＝Udc2时，
通过分析可知，逆变器1与逆变器2直流侧电源电压的偏差与环流的产生有关。逆变器输出侧的等效阻抗越大，环流就越小，但是输出侧的等效阻抗不能很大。另一方面，各个逆变器输出侧的等效阻抗有可能不相等，例如线路阻抗不匹配，则会加剧环流。为了消除环流，使系统稳定运行，需要对环流进行抑制。
本文采用虚拟阻抗抑制环流，虚拟阻抗表达式为：
其中，Rvir为虚拟电阻，Lvir为虚拟电感。设置的虚拟阻抗使各个逆变器的输出阻抗相等，抵消并联运行的微源与大电网间不平衡的线路阻抗，降低逆变器在PCC处输出电压的偏差值，从而抑制并联型逆变器间的环流，提高孤岛微网系统的功率分配精度。
本文的孤岛微电网系统采用对等控制策略，系统的控制策略如图4所示。逆变器1的控制模块为外部虚线框中的内容，逆变器2的控制模块为内部虚线框中的内容。逆变器1正常工作时，与逆变器2的控制模块完全相同。主要的控制环节包括：下垂控制环、虚拟阻抗控制环、电压－电流控制环。当逆变器1中的开关器件发生故障、拓扑重构后，控制策略中相应地增加脉冲重置环，脉冲重置环的主要功能是对脉冲信号重新配置，使逆变器1故障重构后仍能继续运行。功逆变器的电感电流il、输出电压uo、输出电流io的三相分量转换到dq坐标系下，由功率计算模块得到逆变器的实际平均功率P和Q，经下垂控制得到逆变器的参考电压udroop和系统的参考角频率ω。虚拟阻抗环调节下垂控制产生的参考电压。电压－电流控制环以逆变器的输出电压uo和LC滤波器电流il作为被控量，输出正弦调制信号m~，经SPWM调制模块控制逆变器的输出电压。
图4 系统控制策略框图
逆变器采用的下垂控制的方程为：
式中，uoref为给定的电压参考值，ωref为给定的额定角频率，Pref和Qref为微电网在额定电压和频率下逆变器输出的平均有功功率与平均无功功率，参数m是P－f下垂增益，参数n是Q－U下垂增益。
虚拟阻抗电压的表达式为
下垂控制产生逆变器输出电压的参考值udroop，逆变器的输出电流乘以虚拟阻抗，用参考电压udroop减去虚拟阻抗上的压降，得到的电压可以作为电压电流控制环节的输入。
为了验证虚拟阻抗对孤岛微电网中环流抑制的有效性，本文在Matlab／Simulink仿真平台上搭建了如图1所示的仿真模型。系统仿真参数如表1所示。
表1 系统仿真参数
本文以逆变器1中功率开关管V1所发生故障为例进行仿真分析。第一组仿真，仿真时长为2s，在1s处，逆变器1发生故障并重构，但是系统控制策略无虚拟阻抗环，仿真结果如图5所示。
图5 无虚拟阻抗环的系统仿真结果
根据图5所示的仿真结果可以看出，在0～1s，逆变器1和逆变器2正常工作，因此电压电流波形正常。由于线路阻抗不匹配和没有虚拟阻抗环，逆变器1与逆变器2之间有环流。在1s后，由于逆变器1发生故障，导致并联逆变器之间的环流大大恶化，系统频率不能保持恒定值。由于控制策略中有脉冲重置环节，因此逆变器1故障后，电压电流的输出波形保持比较好，受环流影响电压电流输出稍微畸变。
第二组仿真，在t＝0～1s时间段内，逆变器1工作状态正常；
在t＝1～2s时间段内，逆变器1故障后重构，系统控制策略带有虚拟阻抗环，仿真结果如图6所示。
图6 带虚拟阻抗环的系统仿真结果
由图6的仿真结果可知，加入虚拟阻抗模块后，逆变器之间的环流得到很好地抑制，系统的频率稳定在工频50Hz附近，电压电流波形稳定。即逆变器1在t＝1s时故障重构，系统的输出电压和频率依然保持稳定。
系统其余的运行模式有类似的仿真结果，证明了本文的可重构拓扑和控制策略的正确性，确保逆变器1故障后，在不需要变换控制方法的情况下能保证电压和频率的稳定，环流得到很好地抑制，实现了容错、提高了系统的可靠性。
本文对带可重构逆变器的孤岛微网的环流情况进行分析，并提出抑制方法。以可重构的逆变器1c相发生故障为例，分析了逆变器1与逆变器2之间的环流情况。结合两个逆变器之间线路阻抗不匹配的问题，提出容错的控制策略，通过仿真结果可知，所提控制策略不但稳定了逆变器故障后输出电压和频率，还可以有效抑制并联逆变器之间环流。
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