逆變器與發(fā)電機并聯(lián)控制為獨立電力系統(tǒng)提供技術(shù)基礎(chǔ)

隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，偏遠山區(qū)、海島等獨立電力系統(tǒng)越來越多地采用新能源發(fā)電設(shè)備與柴油發(fā)電機混合供電方式。

針對這類系統(tǒng)中新能源逆變器單獨供電、與柴油發(fā)電機并聯(lián)供電的功能需求，以逆變器單獨供電時采用電壓源控制、與柴油發(fā)電機并聯(lián)時采用電流源控制為基礎(chǔ)，提出基于逆變器控制模式切換和柴油發(fā)電機準(zhǔn)同期并聯(lián)相結(jié)合的控制策略，解決逆變器與柴油發(fā)電機并聯(lián)過程的控制問題，電磁暫態(tài)時域仿真和1：1樣機物理實驗驗證了該控制策略的有效性。

獨立電力系統(tǒng)是指獨立運行在與大電網(wǎng)隔離地區(qū)的電力系統(tǒng)，常應(yīng)用于偏遠山區(qū)、孤立海島等地區(qū)。傳統(tǒng)獨立電力系統(tǒng)采用柴油發(fā)電機組、輕型燃?xì)廨啓C發(fā)電機組等旋轉(zhuǎn)發(fā)電裝置，它存在噪聲大、環(huán)境污染、偏遠地區(qū)燃料補給困難等缺點。

隨著新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，獨立電力系統(tǒng)越來越多地采用風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電裝置單獨供電，或者采用與傳統(tǒng)發(fā)電機并聯(lián)向負(fù)載供電方式，來提高發(fā)電經(jīng)濟性、減少環(huán)境污染、增強偏遠地區(qū)供電自給能力。

然而，逆變器與發(fā)電機在電壓與頻率控制方法、輸出端口阻抗特性、機電慣性、抗擾能力等方面均存在較大差異，導(dǎo)致逆變器與發(fā)電機的并聯(lián)控制較困難，傳統(tǒng)的逆變器并聯(lián)、并網(wǎng)控制策略難以解決逆變器與發(fā)電機的并聯(lián)控制問題。因此，有必要開展逆變器與發(fā)電機并聯(lián)控制策略研究，為基于新能源發(fā)電的獨立電力系統(tǒng)運行與控制提供技術(shù)基礎(chǔ)。

根據(jù)并聯(lián)對象的不同，逆變器并聯(lián)控制可分為逆變器之間相互并聯(lián)、逆變器并入電網(wǎng)、逆變器與發(fā)電機并聯(lián)三種類型。截至目前，國內(nèi)外學(xué)者在前兩種并聯(lián)系統(tǒng)控制方面已取得了豐碩的研究成果。其中，逆變器之間相互并聯(lián)的控制策略主要有主從控制法、下垂控制法、分布控制法等。

逆變器并網(wǎng)已經(jīng)實現(xiàn)了電壓源并網(wǎng)和電流源并網(wǎng)控制。在逆變器與發(fā)電機并聯(lián)控制方面，對于發(fā)電機在電網(wǎng)運行、逆變器投入并聯(lián)運行的情況與逆變器并網(wǎng)的情況類似，相關(guān)研究已比較成熟。因此本文只討論逆變器在電網(wǎng)運行，發(fā)電機投入并聯(lián)運行的控制策略。

在這方面的研究中，提出了一種柴油發(fā)電機和由逆變器接入的電池儲能裝置的無縫切換控制方法。但是，該文獻中除了兩種設(shè)備的本地控制器外，還需要增設(shè)上層控制單元，以實現(xiàn)兩者的協(xié)調(diào)控制，這增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性，而且沒有進行1∶1樣機實驗研究，其控制算法的實用性還有待進一步驗證。

本文以某新能源發(fā)電逆變器與柴油發(fā)電機組混合供電系統(tǒng)為研究對象，在介紹該系統(tǒng)運行模式、發(fā)電機和逆變器的控制方式基礎(chǔ)上，結(jié)合逆變器在單獨帶負(fù)載、與柴油發(fā)電機組并聯(lián)帶負(fù)載等不同工況下的運行需求，提出了將逆變器電壓源、電流源控制模式切換與柴油發(fā)電機準(zhǔn)同期操作相結(jié)合的控制策略。

在PSCAD/EMTDC中搭建了該系統(tǒng)的仿真模型，并在實驗室構(gòu)建了1∶1樣機實驗系統(tǒng)，通過時域仿真和物理實驗驗證了所提出控制策略的有效性和實用性，降低了工程應(yīng)用技術(shù)風(fēng)險。

圖1逆變器與柴油發(fā)電機混合供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4新能源發(fā)電逆變器的控制框圖

結(jié)論

本文提出了一種基于模式切換的逆變器與發(fā)電機并聯(lián)控制策略，其主要思想是：

1）逆變器單獨帶負(fù)載運行時采用恒電壓控制模式，且逆變器不鎖相、控制器自身產(chǎn)生調(diào)制波相位。

2）在與發(fā)電機并聯(lián)運行時采用恒電流控制模式，但需要通過鎖相產(chǎn)生調(diào)制波相位。

3）在不同工況切換時，逆變器通過信號線檢測發(fā)電機輸出斷路器的閉合狀態(tài)來判斷模式切換時刻的發(fā)生，并快速切換控制模式；同時，結(jié)合發(fā)電機的同期控制、逆變器電壓外環(huán)PI控制器積分環(huán)節(jié)在切換時刻重新賦值等方法，來實現(xiàn)不同模式切換過程中較小的系統(tǒng)沖擊，保證系統(tǒng)安全運行。

本文建立了逆變器與發(fā)電機混合供電系統(tǒng)的仿真模型，并在實驗室構(gòu)建了1∶1樣機實驗系統(tǒng)，通過不同工況下的時域仿真和物理實驗，驗證了所提切換控制策略的有效性。該控制策略不僅能保證不同工況下的穩(wěn)定運行、實現(xiàn)不同工況之間切換的暫態(tài)過程中系統(tǒng)平穩(wěn)過渡以及靈活調(diào)配逆變器和發(fā)電機并聯(lián)運行的功率分配，而且具有控制原理簡單、工程實現(xiàn)容易、不需要增加用于逆變器和發(fā)電機之間協(xié)調(diào)的上層控制器等優(yōu)點。