摘 要

随着微电网与配电网之间信息交换量的不断增加，微电网在电力系统运行过程中起着愈来愈重要的作用，尤其是在可靠性和灵活性方面对系统运行极为关键。微电网中一般存在多个逆变器的并联运行，不仅可以根据需要，通过改变并联模块数量实现容量的增减，它还使系统具有更高的可靠性和安全冗余。

为了使系统大功率运行需要对多逆变器进行并联运行，需要满足两个要求，一是使逆变器并联模块输出电压的频率、相位和幅值一致，否则容易形成环流；其次，要保证每个并联模块均匀承担负载电流，不然很容易导致部分模块发生过载的情况。现在微电网中多逆变器并联运行的控制方法主要有四种，以我国目前应用最为广泛的下垂控制方式为例，分析抑制多逆变器并联产生的环流过程。

依据微电网的结构和未来发展前景，发现多逆变器并联控制是最为重要的部分，深入了解逆变器的结构和调制方式，对多逆变器并联的拓扑结构和需要考虑的问题有更深刻的思考，着重分析逆变器的并联控制运行方式，建立逆变器并联的动态数学模型，以分析两台逆变器并联为例，分析其环流及功率的影响因素，并运用Matlab/Simulink对各个电路进行仿真研究，展现多逆变器并联将产生的问题，再通过并联控制得到有效抑制，从而维持系统稳定。

关键词：逆变器并联；环流；功率均分；下垂控制

Abstract

The amount of information exchange between the microgrid and the distribution network will increase, and it plays an important role in improving the reliability and flexibility of the power system. In the microgrid, there are generally parallel operation of multiple inverters. Not only can the capacity increase and decrease be realized by changing the number of parallel modules, but also the system has higher reliability and safety redundancy.

In order to ensure the parallel operation of multiple inverters in high-power operation of the system, two requirements must be met. One is to ensure that the frequency, phase and amplitude of the output voltage of the parallel modules of the inverter are the same, otherwise loops are easy to occur; secondly, each parallel connection is guaranteed. The module shares the load current evenly, otherwise it will easily lead to overload of some modules. At present, there are four main methods for parallel control of multiple inverters in a microgrid. Taking the most widely used droop control method in China as an example, the loop process of suppressing the parallel connection of multiple inverters is analyzed.

According to the structure of the microgrid and its future development prospects, it is found that multi-inverter parallel control is the most important part. The structure and modulation mode of the inverter are deeply understood. The topology of the multi-inverter parallel connection and the problems to be considered are more Deep thinking, focusing on the parallel control operation mode of the inverter, establishing a dynamic mathematical model of the parallel connection of the inverter, analyzing the parallel connection of the two inverters as an example, analyzing the influence factors of the circulation and power, and using Matlab/Simulink The simulation study of each circuit shows that the problems caused by the parallel connection of multiple inverters can be effectively suppressed by parallel control, thus maintaining the stability of the system.

Key Words： inverters parallel; Circulation; Power sharing; Droop control

目录

第1章 绪论 1

1.1微电网概论 1

1.1.1微电网的结构 1

1.1.2微电网的运行模式 2

1.1.3微电网的控制模式 2

1.1.4微电网的发展现状 3

1.1.5微电网发展的意义 4

1.2微电网多逆变器并联策略研究意义 4

1.3微电网逆变器并联研究现状 4

第2章 微电网逆变器 6

2.1逆变器概念 6

2.2逆变器的拓扑结构及数学模型 6

2.2.1单相逆变器的拓扑结构及其数学模型 6

2.2.2三相逆变器的拓扑结构 7

2.3逆变器的调制技术 8

2.4逆变器控制方法 8

2.4.1三角波交截控制方法 9

2.4.2比例谐振控制方法 9

2.4.3重复控制方法 9

2.4.4滞环控制方法 9

2.4.5无差拍控制方法 9

第3章 逆变器并联及其控制方式 10

3.1逆变器并联要求 10

3.2多逆变器并联数学模型 10

3.3多逆变器并联功率传输特性 11

3.4多逆变器并联控制 13

3.4.1集中控制方式 13

3.4.2主从控制方式 14

3.4.3分布式控制方式 16

3.4.4无互连线控制方式 16

3.5下垂控制 17

第4章 微电网逆变器仿真 20

4.1单逆变器仿真 20

4.1.1单相全桥逆变器仿真 20

4.1.2三相全桥逆变器仿真 21

4.2多逆变器仿真 22

4.2.1单相全桥逆变器并联仿真 22

4.2.1三相全桥逆变器并联仿真 25

4.3多逆变器并联下垂控制仿真 27

第5章 结论 30

参考文献 31

致 谢 32

第1章 绪论

1.1微电网概论

微电网作为目前实现传统配电网向智能电网发展的最有效方式之一，是可以对自身进行控制、维护和管理的独立系统，既可以不与外界连接独自运作，也可以连接至电网运行的系统，是未来供电系统发展的关键技术。

1.1.1微电网的结构

微电网(Micro-Gri,MG)^[1]是一种将分布式发电(Distributed Generation,DG)小型发输配电系统，包括负载、储能储存设备、转换器以及监控和保护装置的有机整合。微电网通过公共耦合点（Point of Common Coupling,PCC）连接到配电网络系统，为终端用户提供稳定电能，而且它可以完全满足最终用户对电能质量、供电可靠性和安全性的需求。

微电网由以下四个部分组成^[2]：

(1)分布式发电电源：以新能源为主的多种能源形式，例如光伏发电、风力发电、地热能发电等；以热电联供（Combined Heat and Power ,CHP）或冷热电联供（Combined Cooling\Heat and Power,CCHP）的形式存在，现场向用户提供能量，对分布式发电的利用效率和灵活性有显著的提高。

(2)负荷：包括一般负荷、重要负荷等。

(3)储能装置：能量储存装置可以采用各种能量储存方式，包括物理储能、化学储能、电磁储能等，为实现能量的储存、负荷的削峰填谷等提供能量。

(4)控制装置：受控制设备配置以完成对系统的控制功能，包括分布式发电的控制、储能存储控制、并网离网切换控制和微电网能源管理等。

图1.1 微电网结构图

1.1.2微电网的运行模式

目前，微电网的两种典型工作模式为：微电网连接传统配电网运行，称为并网模式；当检测到电网存在问题或其微电网产生的能量指标不符合规范时，微电网将立刻断开进行独立运行，称为离网模式或者为孤岛模式。图1.2为两种运行模式的转换方式。

图1.2 微电网运行模式转换结构图

1.1.3微电网的控制模式

微电网中最常用的控制模式可以分为三类：主从型、对等型和综合型。^[1]

（1）主从控制模式

主从控制模式（Master-Slave Mode）中微电网内部每个分布式发电为实现自己的功能而采取符合自己不同的控制方法。选择这些分布式发电电源中的一个或几个作为主控制设备，其余的用作从控设备。当连接到电网时，不管是主控还是从控，所有分布式发电电源都选择P/Q控制模式；而在离网运行时，从分布式发电还是选择P/Q控制策略，但为了保证向从分布式发电提供参数指标的参考，主分布式发电控制要选用U/f控制方式，且负荷变化也由主控分布式发电来跟随，因此要求其功率输出是可控的，并且能够足够快地跟踪负载波动。

（2）对等控制模式

对等控制模式（Peer-to-Peer Mode）是指微电网内部各分布式发电都是互相“平等”的。全部分布式发电选择提前设计好的控制模式进行有功和无功的调节，以保持系统电压、频率稳定。在对等控制模式中，是依据下垂特性的下垂（Droop）控制方式工作的，当微电网与电网断开连接运行时，选择下垂控制模式的每个分布式发电电源都要对其输出电压和频率进行调节。当负荷发生变动时，每个分布式发电电源将按下垂系数自行分担负荷所产生的变化量来调节各自电压幅值和频率，最后达到输出功率合适于将各逆变器稳定在新工作点。

下垂控制方式可以自动分配分布式发电之间的负载功率变化，在负载变化之前和之后，系统的稳态电压和频率在也会随着发生变化。因此，不论系统是连接到电网还是离网，都可以更容易实现无缝切换，而无需改变微电网分布式发电的下垂控制模型。

（3）综合控制模式

在实际应用中上，主从控制模式和对等控制模式都有其各自的优点和不足，接入微电网的可能有随机间歇性分布式发电，例如光伏发电、风力发电等；或者为比较稳定且容易控制的分布式发电或储能装置，例如微型燃气轮机、燃料电池等；然而每个类型的分布式发控制特性互相之间有很大区别。但微电网系统如果只选择单一控制方式是不可以实现洗头稳定可靠高效等，考虑到实际微电网中分布式发电与负载的分布和归属都分散比较广泛，所以不同种类的分布式发电选择符合各自要求的控制方式，既可以选择主从控制模式，又可以选择对等控制模式的综合控制模式。

1.1.4微电网的发展现状

近年来，美国、日本、澳大利亚等很多国家都开始对微电网的运行、保护、安全性、经济性等一系列关键技术展开深入的研究。世界上第一次提出微电网概念的是美国，1999年美国可靠性技术解决方案协会最开始对该方向进行研究，而且在2002年提出了目前所有微电网概念中最权威的且比较完整的微电网概念，近些年来美国相关研究的重点都集中在提高微电网系统的可靠性、电能质量、经济性和实现智能化等方向。我国目前在微电网的研究刚开始起步，尤其在满足适合我们国家电力系统需求方面的研究仍然具有很大的进步空间。

截至2016 年末，与配电网连接的分布式发电的装机总容量已达 1032 万千瓦时，已计划、在建和投产的试点项目超过90个，而且不包括一些自发投资研发的企业微网，还有一些具有一定指导意义的覆盖社区的微电网、公用事业的微电网、校园微电网、海岛微电网以及覆盖偏远地区的微电网等，这是我们国家目前的发展状况。

目前，微电网作为一种优化集成分布式发电电源的有效方式是世界各国高效、可持续发展的研究重点，所以相关技术在未来供电系统发展一定会展现极其关键的角色。^[3]目前，微电网示范工程一般具有以下四个基本特点：^[4]

⑴微型。微电网电压水平通常低于10kV，在兆瓦级及以下以便就地与终端用户连接。

⑵清洁。微电网内部的分布式发电主要是风光等清洁能源。

⑶自治。微电网的内部电源可以实现全部或者部分自流平衡。

⑷友好。微电网可以减少大规模分布式发电电源接入对电网的影响，为用户提供高质量、可靠的电力，实现并网/离网模式的平滑切换。 因此，微电网连接到电网进行能量交换，实现了电网电源的高可靠性和多样化的能源利用。

1.1.5微电网发展的意义

随着新能源、智能电网技术和柔性电力技术等微电网关键技术的发展，在未来微电网将是完成配电网自我修复与供电终端交互的重要途径。^[5]分布式发电种类多、归属多、数量庞大，而且分布比较分散，微电网作为电网和分布式发电电源之间的纽带，可以使配电网既直接连接分布式发电电源，又不会影响整体运行的稳定。利用微电网的运行控制和能量管理等关键技术，可以实现微电网并网或离网运行，减少间歌性分布式发电给配电网带来的不利影响，充分利用分布式发电，并且能够改善运行的可靠性和电能质量。故普遍认为将分布式发电以微电网的模式接入电网系统是有效利用各种能源的方法之一。国际电工委员会（IEC）正式将微电网发展的核心技术确定为中未来能源链的重要技术。^[6]

1.2微电网多逆变器并联策略研究意义

微电网一般是由多个分布式发电电源协调运行，根据需要调整各自单元的发电状态和出力方式，以维持微网内部的能量均衡，同时也需要严格控制电能质量，方便准确的在离并网状态之间无缝切换。微电网系统逐步提高可靠性、容量、可扩展性和高效稳定的运行要求，使得逆变器并联运行模式得到了广泛的应用，并逐渐发展成为微电网当前和未来发展的新方向。

单个大功率逆变器具有等级限制、可扩展性差、可靠性低和造价成本高等劣势，微电网的发展越来越偏向小功率逆变器并联的方向。然而，由于各逆变器的设备都会有一些不同，线路的参数不同以及其他因素，会使得涉及到的逆变器的输出电压的幅值和相位也略有不同，另外，逆变器之间的等效阻抗很小，电压幅值和相位的微小差异也会导致逆变器之间产生较大的环流，降低了系统的效率和安全性。因此，要求每个逆变器输出电压波形的各项指标必须相同，不然很容易产生环流；其次，要求每个并联模块合理分担负载电流，以防造成部分逆变器过载。逆变器并联的状态极大的影响着微电网的稳定运行和供电质量，因此研究并联逆变器策略至关重要，近年来，微电网领域研究作为热门课题具有非常实际应用意义。

1.3微电网逆变器并联研究现状

随着现代科技的快速发展，许多应用领域对电源系统的容量、性能和可靠性等的要求越来越高，导致相关电力电子技术的研究也不断深入和拓展。在并联运行中使用多台逆变器来增加微电网供电系统容量是目前电源技术不断改进的关键技术。早在二十世纪八十年代，国外许多专家学者就针对DC/DC变换器的并联运行技展开深入且富有实际作品的研究。它可以和DC并联运行进行比较，很明显发现逆变器的输出电流是随时间交替变换的正弦波，存一系列变量，例如幅值、相位和频率等，使得逆变器并联运行变得更加困难。^[7]

逆变器并联技术的发展是从开始的集中并联发展到现在的分散性并联，从传统的有线连接发展到现代的无线连接。现在很多电力公司都开始研究逆变器并联的控制技术，并且有很多的成果，现有的不间断电源设备（UPS）并联控制技术的特点有：

1. 可并联的单元数量不断增加，并且能够选择各种方式满足可靠的并联运行。目前并联机组的数量一般不超过10个，因此，并联逆变器数量的增加和控制方式的多样化是未来微电网的发展的必然方向；
2. 可并联逆变器的结构逐渐模块化和标准化。这样的结构不仅要求多逆变器并联系统的高可靠性和可维护性，而且还要求系统要大容量大和大量功能；
3. 数字模拟混合和全数字控制技术并存。纯模拟控制方法不能满足快速技术发展的需要，为了提高系统的性能、实现并联的复杂算法以及逻辑控制，不间断电源设备的控制必须涉及单片机或数字信号处理（DSP）的参与；
4. 无线并联的实用化。这项技术能够提高可靠性，满足稳态精度和动态响应速度等指标气压要求。该技术可以使多逆变器并联运行不再受地理的限制，降低故障概率，因此将成为未来微电网多逆变器并联技术研究的关键。

第2章 微电网逆变器

2.1逆变器概念

微电网逆变器定义了用于分布式发电电源的电流转换接口设备，能够将不同类型的分布式发电电源输出的能力连接到配电网系统中。它主要可以将分布式发电单元产生的直流电变成为和配电网一样的交流电以实现并网工作，完成对微电网组网和电压频率支持。

2.2逆变器的拓扑结构及数学模型

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