翁凯雷
中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122
摘要：多台逆变器并联时，由于分布式系统电网阻抗变化及多台逆变器并联相互耦合的影响，在实际过程中易出现系统不稳定问题。本文从并网逆变器拓扑结构出发，通过分析得到当逆变器参数一致时，多台逆变器可等效为一台电网阻抗增大N倍的逆变器，并建立了多逆变器并网系统的简化数学模型。同时，从原理上提出了一种在PCC点接入RC等效电路提高多台逆变器并网系统稳定性的策略。
关键词：并网逆变器；多机并联；系统谐振，稳定性
引言
当今世界，以风能、太阳能为代表的可再生能源，正受到人们日益广泛的重视。基于可再生能源的分布式并网发电是可再生能源利用的主要方式之一。在分布式并网发电系统中，逆变器作为分布式源与电网的接口装置，起着将来自分布式源的电能转化为交流形式向电网输送的重要作用。
在光伏电厂或风电场中，常用单台或多台逆变器两种并网方式。由于实际向电网传输的能量很大，相对于单台逆变器并网，利用多台逆变器进行能量输送的优势在于：第一、可以用来灵活地扩大逆变器组的容量；第二、可以组成并联冗余系统以提高运行可靠性；第三、具有极高的系统可维护性，在单逆变器出现故障时，可以很方便的进行热插拔更换或维修。所以，多台逆变器并联并网在实际光伏或风电并网中被广泛采用。
然而，由于分布式系统电网阻抗变化及多台逆变器并联相互耦合的影响，在多机并网实际过程中易出现系统不稳定问题。目前逆变器并联技术在国外的发展已有相当一段时间，世界上许多国家和大型逆变器制造公司在并网逆变器的并联控制技术方面进行了大量的研究，但仍存在许多不足之处。因此，提高并网逆变器并联系统的稳定性研究具有很大的实际意义。
一．单相LCL型并网逆变器建模
LCL型并网逆变器是常用的并网逆变器。为研究LCL型并网逆变器多机并联系统特性，首先需要确定单台并网逆变器的基本结构。图1为常用的单相LCL型并网逆变器基本结构及控制图。Vin为输入直流母线电压；Zg为电网阻抗；Gi1为并网电流调节器；Hi2为并网电流反馈系数； Hi1为电容电流反馈系数，电容电流反馈实现对LCL型滤波器谐振峰的有源阻尼；检测PCC处电压vg'过零进行锁相。这里，采用PI调节器对并网电流进行调节。
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图1 单相LCL型并网逆变器结构及控制图
由于并网逆变器以输出电流作为控制对象，因而可利用诺顿等效原理将图1进行诺顿等效。等效后的电路如图2所示，原并网逆变器转变为电流源并联阻抗的形式。其中iout为逆变器的等效电流源，Zout为逆变器的等效阻抗。
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图2 单台逆变器诺顿等效电路
二．多台逆变器并联并网建模
多台LCL型并网逆变器并联的拓扑结构如图3(a)所示，ig为总并网电流。对于这种情况，直接对系统进行建模分析十分困难，所以首先需要对系统模型进行进一步抽象和简化。从上一节可知，由于每台LCL型并网逆变器采用输出并网电流闭环控制，所以可以采用诺顿等效模型对系统中每台逆变器进行等效变换，即利用电流源并联输出阻抗的形式来代替原来的逆变器，如图3(b)所示，其中iz_i为每台逆变器诺顿等效后流经输出阻抗的电流，ig_i为每台逆变器诺顿等效后输出的并网电流。
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(a)基本拓扑结构 (b)诺顿等效模型
图3 LCL型并网逆变器并联并网模型
从图3(b)中的一台逆变器i（i=1,2,3…n）出发推导并联并网系统模型，如图4所示。图中iz_i受三类激励源影响，分别是第i台逆变器的等效电流源iout、除自身外地n-1台电流源和电网电压。
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图4 第i台逆变器的并网模型
根据叠加原理， iz_i的值为三类激励源的响应之和，可得到多台逆变器并网系统中第i台逆变器的阻抗电流iz_i表达式：
(1)
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在假设LCL型并网逆变器参数完全一致时，可得到简化后多台逆变器并网系统中第i台逆变器的阻抗电流iz_i表达式：
(2)
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从而求得多台逆变器并网系统中第i台逆变器的输出电流表达式：
(3)
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根据式（3）得到单台-系统模型，如图4所示。
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图4 单台-系统模型
比较图2和图4，不难发现当LCL型并网逆变器参数完全一致时，从多台逆变器并联并网系统中的一台逆变器角度出发建立的模型与图2中单台逆变器并网模型相比，多台逆变器并网时所建模型中电网阻抗增大了n倍，其他参数与结构都没有发生改变，这为后续分析多台逆变器并网系统的稳定性提供了简便。
三．提高系统稳定性原理分析
在实际应用中， LCL型并网逆变器的LCL滤波器具有良好的高频谐波抑制能力。然而，LCL滤波器在谐振频率处存在谐振峰和180的相角跳变，这是造成并网逆变器振荡甚至不稳定的根本原因。因而实际应用时，常通过有源阻尼的方式抑制谐振峰。
对于多台逆变器并联并网时出现的不稳定问题，可以从两个角度进行分析和提出应对策略。第一种是从并网系统的每一台逆变器出发，通过提高各台的稳定性，从而增强整个系统的稳定性。第二种是从全局角度出发，通过在PCC点（Point of common coupling，公共节点）处接入全局稳定控制单元实现系统稳定。这种研究策略的优点在于：第一、可将谐波源造成的谐波电流旁路，从而切断谐振回路，增加系统阻尼，抑制系统谐振；第二、仅需在PCC处操作，而无需修改各逆变器软件或硬件，易于系统配置。
本文从全局角度从发，提出了一种提高多台并网逆变器系统稳定性的全局稳定控制单元方法。通过分析得到，多台LCL型并网逆变器并联工作时，当逆变器参数一致，多台逆变器可等效为一台电网阻抗增大N倍的逆变器。因此，可通过改变电网侧阻尼参数，以提高系统稳定性。
首先考虑采用PCC点直接并联电阻R作为全局稳定控制单元，从而增加系统阻尼。随着R值的减少，阻尼效果逐渐增强，但带来的功率损耗也会迅速增加。该方法只在原理上可行，不具有实际应用价值。比较可行的方案是接入RC电路。通过RC电路的高通特性，使阻尼电阻R仅作用在谐振频率，从而减少工频损耗。该方法的原理图如图5所示。
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图5 阻容RC作为全局稳定控制单元以提高系统稳定性
结束语
本文从常用的LCL型并网逆变器拓扑结构出发，通过分析得到当并网逆变器参数一致时，多台逆变器可等效为一台电网阻抗增大N倍的逆变器，并建立了多逆变器并网系统的简化数学模型。同时，从原理上提出了一种在PPC点接入RC电路以提高多台逆变器并网系统稳定性的方法。
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