基于模式切换的逆变器与发电机并联控制策略

海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室的研究人员张雪妍、马伟明、付立军、马凡，在2017年第18期《电工技术学报》上撰文指出，随着新能源技术的发展，偏远山区、海岛等独立电力系统越来越多地采用新能源发电设备与柴油发电机混合供电方式。

针对这类系统中新能源逆变器单独供电、与柴油发电机并联供电的功能需求，以逆变器单独供电时采用电压源控制、与柴油发电机并联时采用电流源控制为基础，提出基于逆变器控制模式切换和柴油发电机准同期并联相结合的控制策略，解决逆变器与柴油发电机并联过程的控制问题，电磁暂态时域仿真和1：1样机物理实验验证了该控制策略的有效性。

独立电力系统是指独立运行在与大电网隔离地区的电力系统，常应用于偏远山区、孤立海岛等地区[1-3]。传统独立电力系统采用柴油发电机组、轻型燃气轮机发电机组等旋转发电装置，它存在噪声大、环境污染、偏远地区燃料补给困难等缺点。

随着新能源发电技术的发展，独立电力系统越来越多地采用风能、太阳能等新能源发电装置单独供电，或者采用与传统发电机并联向负载供电方式，来提高发电经济性、减少环境污染、增强偏远地区供电自给能力[4-6]。

然而，逆变器与发电机在电压与频率控制方法、输出端口阻抗特性、机电惯性、抗扰能力等方面均存在较大差异，导致逆变器与发电机的并联控制较困难，传统的逆变器并联、并网控制策略难以解决逆变器与发电机的并联控制问题。因此，有必要开展逆变器与发电机并联控制策略研究，为基于新能源发电的独立电力系统运行与控制提供技术基础。

根据并联对象的不同，逆变器并联控制可分为逆变器之间相互并联、逆变器并入电网、逆变器与发电机并联三种类型。截至目前，国内外学者在前两种并联系统控制方面已取得了丰硕的研究成果。其中，逆变器之间相互并联的控制策略主要有主从控制法[7-9]、下垂控制法[10-14]、分布控制法[15,16]等。

逆变器并网已经实现了电压源并网和电流源并网控制[17-21]。在逆变器与发电机并联控制方面，对于发电机在电网运行、逆变器投入并联运行的情况与逆变器并网的情况类似，相关研究已比较成熟。因此本文只讨论逆变器在电网运行，发电机投入并联运行的控制策略。

在这方面的研究中，文献[22]提出了一种柴油发电机和由逆变器接入的电池储能装置的无缝切换控制方法。但是，该文献中除了两种设备的本地控制器外，还需要增设上层控制单元，以实现两者的协调控制，这增加了系统控制的复杂性，而且没有进行1∶1样机实验研究，其控制算法的实用性还有待进一步验证。

本文以某新能源发电逆变器与柴油发电机组混合供电系统为研究对象，在介绍该系统运行模式、发电机和逆变器的控制方式基础上，结合逆变器在单独带负载、与柴油发电机组并联带负载等不同工况下的运行需求，提出了将逆变器电压源、电流源控制模式切换与柴油发电机准同期操作相结合的控制策略。

在PSCAD/EMTDC中搭建了该系统的仿真模型，并在实验室构建了1∶1样机实验系统，通过时域仿真和物理实验验证了所提出控制策略的有效性和实用性，降低了工程应用技术风险。

图1 逆变器与柴油发电机混合供电系统结构

图4 新能源发电逆变器的控制框图

结论

本文提出了一种基于模式切换的逆变器与发电机并联控制策略，其主要思想是：

1）逆变器单独带负载运行时采用恒电压控制模式，且逆变器不锁相、控制器自身产生调制波相位。

2）在与发电机并联运行时采用恒电流控制模式，但需要通过锁相产生调制波相位。

3）在不同工况切换时，逆变器通过信号线检测发电机输出断路器的闭合状态来判断模式切换时刻的发生，并快速切换控制模式；同时，结合发电机的同期控制、逆变器电压外环PI控制器积分环节在切换时刻重新赋值等方法，来实现不同模式切换过程中较小的系统冲击，保证系统安全运行。

本文建立了逆变器与发电机混合供电系统的仿真模型，并在实验室构建了1∶1样机实验系统，通过不同工况下的时域仿真和物理实验，验证了所提切换控制策略的有效性。该控制策略不仅能保证不同工况下的稳定运行、实现不同工况之间切换的暂态过程中系统平稳过渡以及灵活调配逆变器和发电机并联运行的功率分配，而且具有控制原理简单、工程实现容易、不需要增加用于逆变器和发电机之间协调的上层控制器等优点。