微电网并网模式下多逆变器并联耦合谐振的建模分析

随着光伏发电、风电等分布式能源以及储能单元通过逆变器接口大量接入微电网，使得微电网内部的电能质量问题愈发明显，对微电网的安全与稳定运行也产生了很大影响。现有微电网主要运行在两种模式：离网/孤岛模式和并网模式。在孤岛模式中，含分布式能源的逆变器一般通过下垂控制实现各独立无互联逆变系统的并联运行；而在并网模式下，微电网逆变系统多采取功率或电流控制方案，实现新能源发电的并网跟踪控制。由于并联逆变器等效输出阻抗之间、逆变器等效输出阻抗与大电网阻抗之间的耦合效应，使得微电网逆变系统容易产生低谐波阻抗回路，造成特定次并网谐波电流的放大。为此，需要建立满足多并联逆变器等效耦合谐振模型，分析多逆变器并联系统谐振峰与逆变器并联数量的动态关系，并且寻找最优的有源阻尼控制方案。

1 微电网多逆变器并联的耦合谐振模型在并网模式下，微电网中的并联逆变器滤波输出电流受三个因素的影响：自身参考电流、其他并联逆变器参考电流以及电网电压，因此，可以建立多逆变系统并网等效耦合电路模型。当n台逆变器并网运行时，第m台逆变器网侧电流I2,m由以下这n+1项电流叠加构成：自身等效受控电流源输出电流Φind,m Iref,m，n-1台并联等效受控电流源输出电流Φpara,m,i Iref,i(i=1,2,…,m-1,m+1,…,n)和电网串联导纳电流Φseries,mUg。

2 分布式逆变器集群并网的谐振交互与谐振特性分布式逆变系统并网运行时，谐振交互问题是造成并网电流畸变率上升的主要因素。受逆变滤波控制方式的影响，谐振交互现象可划分为：本征谐振和非本征谐振。前者是滤波系统交互固有的谐振现象；后者是由于控制方式的选取产生的。

并联谐振是多台逆变滤波系统交互产生的耦合谐振现象，存在一个本征固定谐振点和一个本征非固定谐振点。随着并网逆变器数量的增多，前者的峰值表现为下降趋势；后者的峰值频率和幅值表现为频率向低频段迁移、幅值逐渐衰减的趋势。串联谐振是逆变滤波系统与电网阻抗之间的谐振交互现象，只存在一个本征非固定谐振点，且频率和幅值随着并网逆变器数量的增多而表现为频率向低频段迁移、幅值逐渐衰减。每台逆变滤波器输出电流受其他逆变滤波输出电流的耦合，自身谐振多出了一个额外的本征固定谐振点。随着并网逆变器数量的增多，本征固定谐振点的幅值表现为增长趋势；而自身谐振的本征非固定谐振点的频率和幅值表现为频率向低频段迁移、幅值逐渐衰减的趋势。

3 有源阻尼方案及阻尼参数优化选取本系统采用并联逆变器的电容电流反馈阻尼来实现。按KC比例反馈的有源阻尼方案可以等效为在滤波电容两端并联了虚拟电阻。可以采用图示法分析电容电流反馈系数KC取值范围对各本征谐振峰值的抑制能力。

2 台逆变器并联运行(n=2)，耦合谐振现象最为严重，因此本文将以2台等效逆变器并网运行为例。当KC取值为0时，并联在滤波电容两端的虚拟电阻阻值为无穷大，该虚拟并联支路开路。此时，多逆变器并网系统存在严重本征谐振峰值：Φind,1在21次、35次谐波频率的幅值响应分别为79%,130%；Φpara,1,2在21次、35次谐波频率的幅值响应分别为68%,129%；Φseries,1在21次谐波频率的幅值响应为96%。Φpara,1,2的2个谐振峰值频率之间存在较为明显的本征谐振带，在设计滤波参数时需充分考虑多逆变器并联的谐振交互影响。随着KC取值的增大，各本征谐振峰值明显衰减。当KC=25.1时，各本征谐振幅频响应峰值降低至6%以下。

随着KC继续增大，各本征谐振峰值衰减趋于缓和，同时Φseries,1的13次谐振幅值响应有抬升趋势，当KC=39.6时，13次谐振峰值已经小幅抬升至8.633%。另外，由于KC仅添加在ic的反馈通道上，i2闭环控制的准比例谐振单元增益不受KC取值的影响，故11次谐波及以下频域的幅频响应不受影响。采用电流比例反馈环节的有源阻尼控制方式可以实现对逆变器输出电流的跟踪控制环节(PR控制器)和有源阻尼控制环节的解耦设计。

4 有源阻尼参数优化对谐振抑制的影响分析与验证通过仿真与实验，给出了3台逆变器并网运行时，第1台逆变器网侧输出电流幅值由6A突增至12A时，第1台和第2台逆变器的网侧输出电流及并网点电压暂态响应波形。当KC=5时(优化前)，逆变器网侧输出电流的稳态谐波含量过大，总谐波畸变率(THD)达到9.2%，阻尼效果不佳；当第1台逆变器网侧输出电流发生突增暂态时，不仅造成自身电流出现明显的谐波放大现象，而且严重影响了第2台逆变器的网侧输出电流质量，逆变器网侧输出电流存在明显的耦合谐振。当KC=25.1时(优化后)，第2台逆变器网侧输出电流谐波含量明显减少，THD仅3.9%，电流暂态过程的耦合谐振强度明显减弱。