提高多逆變器并網運行穩定性的控制方法

謝文浩　王建賾　紀延超

摘要：針對微電網中多逆變器并列運行時功率分配不當導致分布式電源并網困難，特別是功率動態分配的情況下系統可靠性更加惡化的問題進行研究。首先建立了多機下垂控制模型，推導下垂系數與分布式電源容量的匹配方程，并分析系統的靜態穩定性。其次，提出了一種下垂控制與虛擬同步發電機控技術相結合的功率控制策略。通過增大逆變器的慣性和阻尼系數，抑制了微電網的頻率波動，從而在輸出功率靜態穩定的同時，削弱了分布式電源并網產生的沖擊，提高微電網運行的穩定性。最后，通過Matlab/Simulink仿真驗證了所提控制策略的有效性。

關鍵詞：微電網；逆變器并聯；下垂控制；虛擬同步發電機；穩定性

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.013

中圖分類號： TM464

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）01-0070-05

Abstract：The power share among multiple gridconnected inverters in microgrids is investigated to strengthen the system robust， especially when power flow varies frequently. Firstly， a model of droop control based multiple gridconnected inverters is established to deduce proper droop coefficients and analyze statistic stabilities. Then， a control strategy which combines with droop control and virtual synchronous generator is proposed to improve system stability. The proposed control scheme is utilized to increase the inertia and damping for inverters to suppress the fluctuation of frequency， which provides a perfect static stability and minimize shocks. Finally， simulation experiments are conducted to verify the effectiveness and validity of the proposed strategy.

Keywords：microgrid； inverter parallel； droop control； virtual synchronous generator； stability

0引言

隨著全球能源危機和環境問題的日益突出，分布式電源的并網技術引起了廣泛的重視[1]。雖然，新能源發電比傳統發電機的裝機容量小，但仍然不能輕視分布式電源給電網安全穩定運行帶來的挑戰[2-3]。因此，并網逆變器作為分布式電源與微電網的接口，其控制性能逐漸成為影響微電網穩定運行的重要因素。

本文討論的多逆變器并列運行方式為對等控制模式，即微電網中各分布式電源在控制權上具有同等的地位[4-6]，每個并網逆變器都只根據接入系統點的電壓頻率和幅值信息進行控制，具有即插即用的特點。所以對等控制模式下的并網逆變器和主控制器之間不存在通信，減輕了上層控制器的壓力。

多逆變器并列運行的微電網系統中，最常用的自主控制策略是下垂控制。逆變器采用類似傳統發電機的下垂特性曲線作為控制依據，將系統功率動態分配給各分布式電源，保證微電網內部的功率平衡[7-9]，具有控制簡單，靜態穩定性好的優點。然而，常規下垂控制策略導致并網逆變器慣性小、難以參與微電網的頻率調節[10-12]。負荷發生變化時，逆變器無法為的微電網提供必要的阻尼作用，微電網頻率波動較大，嚴重影響系統的穩定性。因此有必要對逆變器控制策略的動態穩定性展開深入研究。值得一提的是虛擬同步發電機控制策略能有效增大逆變器的慣性[13-20]。本文提出將功率下垂控制與虛擬同步發電機技術相結合的控制策略，保留下垂控制良好的靜態穩定性，同時提高微電網的動態穩定性。

1多逆變器并網模型

并網逆變器依據工作方式可分為電壓控制模式和電流控制模式。考慮到逆變器工作在孤島情況下，需要為微電網提供電壓支撐，同時為了避免在雙模切換時的沖擊電流，因此本文所提的控制策略均屬電壓控制模式。圖1表示兩臺并網逆變器并列運行的結構圖，PCC（point of common coupling）為兩臺逆變器并網的公共耦合點。此時逆變器的功率外環產生電壓參考值，再經過電壓電流雙閉環控制獲得PWM調制信號。

式中，X代表逆變器與交流網絡之間的電抗，Us代表交流網絡側電壓幅值，U0代表逆變器輸出電壓的幅值；δ代表逆變器輸出電壓與電網耦合點電壓的功角。正常運行時，δ較小，所以可以認為注入電網的有功功率和逆變器輸出電壓的功角呈線性關系，無功功率和輸出電壓幅值成線性關系，實現了有功功率和無功功率的解耦控制。

下垂控制正是模擬傳統發電機組“功頻靜特性”的方法，其控制原理如圖2所示。當系統有功負荷突然增大時，電網電壓的頻率下降。下垂控制模擬發電機調速器增大機組輸出的有功功率，最終使得頻率穩定在低于初始值的新穩態。同樣，當系統無功負荷突然增大時，電網電壓的幅值下降。下垂控制模擬發電機的勵磁控制器控制機組輸出端電壓，增大發出的無功功率，最終使得電壓幅值穩定在新的穩態。

從圖2的功率控制圖中可以發現，常規下垂控制方法的基本思想是通過檢測公共耦合點的電壓頻率和電壓幅值，利用下垂特性式（2）和（3）確定逆變器輸出的有功功率和無功功率的參考值。實現各并聯的逆變器之間的負荷自動分配。

3改進的虛擬同步發電機控制策略

傳統同步發電機因轉子的轉動慣量大，對電網的負荷變化起到一定的穩定作用。然而，基于電力電子變換器的分布式電源動態響應快、慣性小、難以參與電網的功率調節，不能為穩定性較差的微電網提供必要的阻尼作用，不利于微電網的安全運行。

但是，電力電子器件的逆變器可以借助適當的控制策略達到期望的動靜態性能。虛擬同步發電機控制通過模擬傳統同步發電機的機械特性和電氣特性，可以有效增大逆變器的慣性和阻尼系數。

本文提出一種將功率下垂控制與虛擬同步發電機技術相結合的控制方法如圖3所示。首先通過下垂控制規律模擬發電機組一次調頻的“功頻靜特性”，確保多機運行時負載功率的合理分配。然后采用虛擬同步發電機技術，在逆變器的輸出引入慣性。

微電網功率平衡的仿真結果如圖4所示。在0.25s時，負載的有功功率從30kW突加到34.5kW，相應地，#1逆變器分配的有功功率從20kW增大到23kW，而#2逆變器分配的有功功率從10kW增大到11.5kW。負載的功率變化依據微電源容量自動分配給兩臺逆變器，證明下垂控制在兩機并列運行的系統中具有較好的靜態穩定性。

然后，為測試常規下垂控制的動態性能，對并網逆變器做了空載起動、50%額定功率運行和100%額定功率（20kW）運行的實驗，結果如圖5和圖6所示。在0～0.03s內，逆變器工作在預同步模式，并網后的0.03s～0.07s中逆變器的輸出功率保持在1kW以內，并快速減小，說明逆變器已經成功并網。隨后進行了兩次加載實驗，可以看出逆變器加載的動態過渡過程為0.03s，并且功率的穩態誤差較小。

為了驗證虛擬同步發電機的慣性和阻尼特性，搭建了本文提出的虛擬同步發電機的控制模型，結果如圖7～圖9所示。0.07s時逆變器的功率參考值從0突加到10kW，而逆變器的并網有功功率經過1.1s的動態過程才緩慢達到功率給定值。在逆變器穩定工作后，再次增大功率參考值到100%額定功率，觀察到相同的動態過程。

比較兩種控制策略的動態仿真結果，可以看出改進虛擬同步發電機控制將逆變器的加載過程從0.03s增大到1.1s，表現出較大的慣性和阻尼作用。

圖9為改進虛擬同步發電機控制的逆變器參考電壓的角頻率變化過程，逆變器加載時參考角頻率的波動始終小于0.1rad/s，從而避免了電網頻率的波動，顯著削弱了分布式電源并網對微電網的沖擊。

5結論

本文研究了多逆變器并列運行下微電網的動靜態穩定性。常規下垂控制策略模擬傳統發電機的功頻靜特性，對有功功率和無功功率解耦控制，使各逆變器依據容量自動分配微電網中的負荷變化，具有良好的靜態穩定性。隨后，針對下垂控制策略慣性和阻尼較小的不足，提出了一種將功率下垂控制與虛擬同步發電機控技術相結合的控制策略，模擬傳統同步發電機的機械和電氣特性，控制逆變器的虛擬轉矩和機端電壓的緩慢變化，抑制了微電網的頻率波動。最后，通過仿真驗證了本文所提的控制方法使并網逆變器具有了良好的動靜態穩定性，削弱了分布式電源并網對微電網的沖擊，有利于微電網的安全運行。

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（編輯：關毅）