光伏微網并網逆變器下垂控制策略改進研究

韓 慶，施偉鋒

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光伏微網并網逆變器下垂控制策略改進研究

韓 慶，施偉鋒

（上海海事大學物流工程學院，上海 201306）

傳統下垂控制策略廣泛應用于光伏微網并網逆變器控制，但是沒有考慮在低壓微網系統中由于線路阻抗比較大引起的功率耦合問題，以及多個微電源供電時系統功率分配不均衡問題。針對這些問題，本文在傳統下垂控制基礎上，應用坐標變換對有功功率與無功功率進行耦合控制，又通過在電壓電流環之中加入虛擬動態阻抗環，提出一種基于電壓-電流-阻抗三環控制的光伏微網并網逆變器控制策略。該策略隨電壓電流的波動而改變虛擬阻抗值，合理分配系統的有功和無功功率，在系統穩定時自動切除虛擬動態阻抗，減小系統的功率環流和線路的損耗，同時限制系統的電壓降落，提高電網的電能質量。最后，仿真實驗驗證該改進控制策略的有效性和可行性。

光伏微網 下垂控制 虛擬動態電阻 功率分配 并網逆變器

0 引言

隨著全球能源危機的日益加重，環境污染問題日漸突出，作為應對措施之一，新能源發電技術在現代電力系統中得到廣泛應用，由不同分布式電源組成的微網系統的研究被國內外專家學者廣泛的關注[1]。微網是由分布式電源、負載、儲能裝置、能量轉換裝置、監控和保護等裝置組成的小型發配電系統。目前，如何提高微網并網運行功率平穩性和并網的快速性成為微網研究的熱點問題之一[2]。

下垂控制是實現多個微電源并網供電的主要控制策略，由于只需要檢測逆變器的運行情況，無需逆變器之間的通訊聯系[3]，所以下垂控制策略被廣泛應用于并網逆變器的對等控制中。微網線路較短與線路電壓等級較低的特點決定了其感抗與電阻為同一數量級，無法與長距離輸電線路一樣作等效處理，傳統的下垂控制在微網系統中直接應用有功功率與無功功率控制，這必然會引起有功功率與無功功率之間的耦合問題，從而導致微網系統運行的不平穩以及不同微電源之間有功功率與無功功率分配不平衡的問題[4]。文獻[5]是基于虛擬同步發電機思想的微網逆變器電源控制策略研究，實現了微網并離網的無差控制，但是該控制策略的建模過程需要運用電機的轉子運動方程和電機的機械方程，這樣使得建模過程復雜，不利于快速實現。文獻[6]提出虛擬頻率—電壓下垂控制方法，這樣可以實現低壓微網功率的合理控制，但是其控制方法較為復雜，虛擬值的設定存在一定的技巧性，在實際工程中難以復現。文獻[7]提出了P-f、Q-V下垂控制，但是該方法只適用于線路電壓等級較高的系統，現行分布式微網系統一般不滿足這樣的條件。文獻[8]采用了增設虛擬阻抗的方式，在逆變器輸出端口到公共并網節點之間增加虛擬電感值，使線路呈現電感特性，以此來解決功率耦合的問題，但是要實現該控制策略最好的辦法是增加大數量級的電感，而這樣將導致系統的電能質量下降，同時帶來諧波次數增多、諧波強度增大的問題。文獻[9]提出了通過設計逆變器參數來實現逆變器輸出端口等效為電感特性的方法，但該方法在一定程度上受電壓、電流控制器參數的限制。文獻[10]提出了虛擬負阻抗的概念，即根據低壓線路的特性對線路參數進行等效阻抗設計，以實現逆變器并網運行條件下的功率均衡控制，此方法有效避免了因線路阻抗特性帶來的功率分配不平衡問題，但是在響應時間快速的同時系統波動性增大，在系統趨于穩定時，仍然存在阻抗引起的不同微源逆變器之間的功率環流問題。

本文針對上述問題，采用三環控制方法，在低壓微網三相逆變器的下垂控制策略中引入虛擬動態阻抗，應用線路阻抗參數對功率進行坐標變換，耦合后分別對電壓、電流進行控制，同時在內外環控制之間加入虛擬阻抗，來降低電壓電流的波動，實現系統功率的平衡分配，保證系統的穩定性。

1 傳統下垂控制策略

由電機學原理得到同步發電機的有功功率和無功功率方程為式(1)和(2)所示：

各逆變器單元檢測到輸出功率，通過下垂特性得到輸出電壓頻率和幅值的指令值，然后反饋微調各自電壓的頻率和幅值以達到系統所需要的有功功率與無功功率的分配值。

2 功率耦合下垂控制策略

圖1逆變器功率傳輸示意圖

由圖1所示逆變器傳輸等效示意圖可以得出，逆變器輸出的無功功率及有功功率可以改寫為:

將式(5)和(6)代入式(3)和(4)得：

由式(7)和(8)得角度與幅值的表達式：

由上述公式及原理可以推導出在低壓有阻抗的微網系統下的下垂控制表達式：

圖2 PQ-fU下垂控制框圖

上述功率耦合控制考慮了低壓微網輸電線路阻感比較大的特性，該改進策略可以自動跟蹤功率參考值，可以實現對低壓微網系統電能質量的有效控制，相對于傳統的下垂控制策略，它降低了線路參數的敏感性，以維持逆變器輸出電壓和頻率的穩定。

3阻抗-電壓-電流三環改進下垂控制策略

圖3 改進下垂三環控制框圖

3.1 電壓電流雙閉環設計

微網逆變器表現為電壓源特性，為整個微網系統提供電壓和頻率支持，可以通過控制虛擬阻抗值來實現負荷功率在并網系統中的合理分配。

本文采用電壓電流雙閉環控制，在電壓環與電流環之間加入求解線路阻抗的反饋控制環節，如圖4所示。

圖4 電壓電流雙環控制原理圖

通過圖4電壓電流雙閉環控制的模型可以得到：

由上述公式，在低壓微網中考慮線路的阻感特性推導可得：

3.2 虛擬動態阻抗設計

虛擬阻抗可以保證每個微網電源的輸出功率均衡化，這是實現下垂控制策略的必要條件，其它的改進下垂控制策略的虛擬阻抗為靜態值，本文提出的是動態虛擬阻抗方法。在多個微電源系統中，有功功率分配關系如圖5所示，功率調節最終到達C點。

圖5 虛擬動態電阻下兩個微電源功率分配圖

應用圖3的控制方式增加虛擬阻抗時，得：

通過式(15)和(16)可得出輸出電壓：

引入基于等效輸出阻抗光伏微網逆變器模型如圖6所示。

圖6基于等效輸出阻抗的逆變器模型結構圖

由圖6可得逆變器輸出的等效阻抗值：

考慮到微網系統在不同運行模式下其線路參數是不確定的，虛擬阻抗值不能準確獲得，故而引入動態虛擬阻抗值。其表達式為：

在系統調節過程中，電流隨時間變化，引起阻抗值的變化。式(18)和(20)聯立求解得出輸出電壓與動態阻抗值的關系式：

引入動態虛擬阻抗值逆變器輸出阻抗值為：

當系統趨于穩定時，動態虛擬阻抗值也趨于穩定。電壓環采用比例積分負反饋控制；電流環采用比例反饋控制。在系統額定頻率運行時，逆變器的輸出阻抗為電阻特性。此外，由于引入系統負反饋調節，克服了傳統下垂控制中下垂系數和線路阻抗對電壓降的影響。

4 仿真驗證

4.1系統仿真設計

為了驗證該改進三環下垂控制策略的有效性，在MATLAB/SIMULINK環境下搭建仿真模型，模型包括光伏與蓄電池兩個微電源。應用66片光伏電池板模擬小區微網光伏供電系統，光伏系統最大功率設計為100 kW；應用理想直流電壓源來模擬蓄電池，其直流電壓為800 V，不考慮其充放電控制策略問題，大電網側為25 kV區域電網結構。其各參數值如表1所示。

4.2 仿真結果和分析

圖7所示為引入的動態虛擬阻抗值，從圖中可以看出，在微網剛接入大電網時，由于線路阻抗比較大的原因，虛擬阻抗值較大，如圖8局部圖像所示。系統平穩時，動態阻抗值會隨著降低直至全部切除，保證了系統功率的平衡分配。

圖7 虛擬阻抗值

圖8虛擬阻抗局部圖像

圖9 微網電壓頻率

圖10 網側電壓頻率

圖11和圖12所示為系統電網側的電壓電流，從仿真圖可以得出，系統的電壓基本保持不變，在系統調節過程中，系統的電流發生震蕩，虛擬電阻正是通過電流的影響來實現動態變化。

圖11 大電網電壓

圖12 大電網電流

圖13和圖14分別為光伏電源提供的功率和蓄電池提供的功率。動態虛擬電阻的加入使系統的功率分配更加平衡，系統穩定時，各個電源提供的功率基本保持不變。其中無功功率主要來源是蓄電池提供，如圖15所示。由于動態虛擬阻抗的加入，解決了不同微源之間功率環流問題，抑制了線路的損耗。

圖13 光伏電源輸出的有功功率

圖14 蓄電池提供的有功功率

圖15 蓄電池提供的無功功率

5 結語

本文通過對傳統下垂控制策略的分析，在有功功率和無功功率耦合控制的基礎上，設計了微網線路增設虛擬動態阻抗的電壓-電流-阻抗三環控制方法。在系統穩定時，虛擬動態阻抗值趨于恒定，系統功率分配更加均衡，系統頻率電壓電流更加穩定，并網運行時，光伏微網對大電網的沖擊作用減弱。仿真結果驗證了本文的改進策略具有有效性和可行性。

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Improvement of Droop Control Strategy for Photovoltaic Grid Connected Inverter

Han Qing, Shi Weifeng

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM727

A

1003-4862（2018）05-0047-06

2018-02-15

韓慶(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：電力系統及其自動化。