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上海交通大学 - 并网逆变器控制器 HIL 测试

用户与研究成果:

    上海交通大学电气工程系科研团队利用上海远宽能源(ModelingTech)提供的StarSim电力电子实时仿真器进行并联逆变器控制算法研究,并把成果总结发表于如下的英文期刊:

    Keyou Wang, Xin Huang, Bo Fan, et al; Decentralized Power Sharing Control for Parallel-Connected Inverters in Islanded Single-Phase Micro-grids[J], IEEE Transactions on Smart Grid. In press(DIO 10.1109/TSG.2017. 2720683), 2017.

  

需求

    分布式电源常通过逆变器接入微电网,微电网的突出优势在于其可以在并网和孤岛两种运行方式下工作。当微电网以孤岛方式运行时,系统需要有逆变器负责微网系统的电压和频率支撑,为了提高系统的可靠性,或者有时受限于单个逆变器容量的限制,常常会有两台或多个并联逆变器来共同负责微网电压和频率支撑;此时,如果控制不当,易于在并联逆变器间产生环流,而环流会使并网电流畸变,增加损耗,降低系统效率。为此找到好的控制方法来实现并联逆变器的功率分配和环流抑制的就非常有必要了。


基于Lyapunov函数的分布式并联逆变器控制方法

   对于并联逆变器,经典的控制方法有下垂控制(Droop Control),但这个方法常常难于同时在电压控制与环流抑制两个控制目标上同时取得好的效果,尤其是当并联逆变器的线路阻抗参数有差异的时候; 也有一些学者提出了虚拟阻抗的方法,但这类方法的缺点是需要对每个逆变器的控制参数进行校正,确保每个并联逆变器的输出阻抗相同。
上海交通大学电气工程师学者利用Lyapunov控制原理,提出了一种新的分布式的控制方法,具体原理如下图:




   

   其中状态量Xk同逆变器出口电流Ik成正比;这个新方法的优点是只需要本地的测量量,无需逆变器之间的通信,同时可以做到自动在并联逆变器之间实现功率分配和环流抑制;更详细的算法推导和证明详见上海交通大学科研团队发表的文章。


StarSim小步长实时仿真助力并联逆变器控制器研究

    为了验证提出的控制算法,上海交通大学的科研团队搭建了如下的微网模型,这个微网中一共有三个并联的储能逆变器,三个并联储能逆变器的功率相同;微网还有一个光伏逆变器和一个负载。




    因为搭建实物微网造价较高,调整拓扑参数也比较困难;上海交通大学的科研团队采用实时仿真方式来进行控制算法的验证。照片是搭建的控制器硬件在环仿真测试系统:图左边绿色的板子是并联逆变器控制器,右边的白色机箱是电力电子实时仿真器,硬件是美国NI公司的PXIFPGA板卡,软件是远宽能源的StarSim;控制器和仿真器之间通过物理I/O形成一个闭环实时仿真测试系统。




   实时仿真器上的FPGA芯片利用StarSim电力电子实时仿真Solver来实时运行上海交通大学科研团队搭建的并联逆变器的微网模型;StarSim电力电子实时仿真Solver的特点是可以实现电力电子系统模型在FPGA上的1微秒的小步长的实时仿真,而小步长对于在PWM脉冲的控制下快速切换拓扑的电力电子系统的准确仿真是非常重要的。

    同真实的物理系统相比,利用实时仿真器来进行研究,便于搭建和改变系统拓扑,灵活改变系统拓扑参数,这些特点对含有多个逆变器系统的微网系统更为突出。



实验结果





    上图的示波器波形图展示了其中一个测试工况,在这个工况下,逆变器1和逆变器3一起负责孤岛微网的电压和频率支撑,当这个孤岛微网系统从空载到突然投入负荷时,可以看到逆变器的响应速度很快,同时此时投入在系统里的逆变器1和逆变器3这两个并联逆变器之间的电流差是很小,验证了基于Lyapunov函数的并联逆变器控制算法的有效性。

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