微網逆變器并聯自適應下垂控制技術

陶泉霖 曹以龍 江友華

摘 要：微網中使用下垂控制可實現逆變器在并聯時負載功率得到合理地分配，而傳統下垂控制不能合理分配無功功率且存在環流影響系統電能質量的缺陷，所以本文提出了一種自適應下垂控制策略。通過引入虛擬阻抗，本文采用自適應的控制策略對下垂控制進行修正，在模擬分流線路阻抗一致的前提下引用合理獲取的下垂參數，達到控制目的。該策略不僅提高了無功功率分配的精度，而且有效減小了系統間的環流，提升了電能質量。仿真并實驗驗證該方法的有效性。

關鍵詞：并聯逆變器；下垂控制；虛擬阻抗；自適應控制；功率分配

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.124

0 引言

目前，以太陽能、風能等新能源作為代表的可再生能源在資源匱乏和環境污染等問題日益嚴重的情況下受到越來越多的關注。微電網系統作為由可再生能源、負載和儲能裝置構成的低壓配電系統可以有機的將各種新能源產生的電能作為輸出用電或者發送到電網上。微電網通常存在并網或者孤島運行兩種模式，其中的微電源一般是通過逆變器并聯構成交流電網。合理地對逆變器進行控制可以保證微電網的安全、穩定運行。下垂控制（Droop Control）是微電網逆變器并聯中較為常用的控制方式，其主要通過模擬常規電網中同步發電機的下垂外特性實現對功率的合理分配。該方法可以有效分配各分布式單元的電能，在負荷發生變化時也能滿足其需求使系統自身平衡，做到了“即插即用”。逆變器并聯是采用下垂控制提高了微電網系統的控制靈活性和穩定性，但是由于傳統下垂控制策略的固有缺陷，系統的動態性能極大程度上取決于拓撲結構中的濾波器性能與輸出阻抗，同時還受下垂系數的影響。而負載端的有功功率是由輸出電壓頻率、輸出電壓的幅值以及輸出功率決定的。所以在逆變器并聯時使用傳統下垂控制作為控制策略的時候，逆變器的動態性能并不是獨立受控的。

本文在引入虛擬阻抗的基礎上，提出了一種采用自適應方案改進下垂控制的方法，該控制結構可以合理均分有功功率，減小被分配無功功率間誤差，以及有效降低系統產生的環流。

1 傳統下垂控制

1.1 傳統下垂控制原理分析

傳統下垂控制通過模擬常規電網系統中同步發電機的下垂外特性，根據發電機機端電壓頻率與發出有功功率、電壓幅值與輸出無功功率間的關系實現對輸出電壓的頻率與幅值調整。采用兩臺R型逆變電源構成并聯運行，其并聯結構如圖1所示[1-3]。

其中Ei∠δi、E2∠δ2 表示逆變器i輸出端電壓，δi是逆變器i端電壓和公共連接點處的相角差，線路的電阻和電感組等效為Roi，Si、Pi和Qi分別表示負載端的視在、有功和無功功率。

文獻[6]已經證明了通過對逆變電源虛擬輸出電壓Ei的頻率和幅值的控制可以實現調節輸出功率Pi、Qi的可行性。但使用虛擬阻抗后，因線路阻抗差異導致的輸出無功功率的均分問題仍未得到改善，且目前引入虛擬阻抗的技術都或多或少地使系統等效輸出阻抗增加，加重了母線電壓降落，進而導致系統的供電電壓質量降低。

2 自適應的下垂控制

通過前文推導可知，采用傳統下垂控制時，若系統的負載增加，則系統電壓會出現下降。而在系統中加入虛擬阻抗會導致電壓的再次降低，這大大影響了系統的供電質量。而如果采用較小的下垂系數，雖然電壓下降幅度減小，保證了一定的供電質量，但是小系數將會降低系統的動態響應速度，也可能影響到其穩定運行狀態。為保證系統電壓降落可維持在系統可接受能力內，同時解決輸出無功功率的均分問題，本文在虛擬阻抗的基礎上，采用自適應控制對下垂控制進行修正。該方案在穩定功率均分的性能的基礎上，可以產生系統需要的瞬態響應性能從而達到減小在不同操作條件下系統產生的環流。

自適應下垂控制的實現對功率分配控制的基本原理如圖3所示。通過計算輸出無功功率Q值與參考無功Qref間的差額作為附加值來設定期望的電壓幅值。

當Q>Qref時，電壓振幅分別從第10行和第20行調節至第11行和第21行。取出無功功率最大值Qmax，并從電壓振幅中減去一個常數值nadd（Qmax-Qref）。因此，當Q再次低于Qref時，電壓振幅不會恢復到第10行和第20行，而是回到第12行和第22行。這種現象可以用公式（8）來表示。

3 仿真與實驗

利用MATLAB/Simulink搭建了仿真模型，仿真系統見圖6。選取了下垂系數為：，。

仿真過程為：逆變器1先帶6kW+4kVar負載啟動，用來支撐母線電壓，逆變器2則是帶空載啟動，在0.3s時將相同負載接入逆變器2所在線路。圖7為傳統下垂逆變器并聯過程中的功率分配及系統間環流情況。圖8為在相同負載條件下自適應下垂控制策略控制逆變器并聯過程中的功率分配及系統間環流情況。采用傳統的下垂策略控制逆變器時，可見在0.3s到0.5s時間內，實現了均分有功功率。但是達到穩定之后的逆變器無功功率誤差為700Var，且系統存在幅值為1.9A的環流。而使用自適應下垂控制策略控制逆變器并聯不僅在0.3s到0.5s時間內實現了均分有功功率，在達到穩定之后無功功率誤差減少到了250Var，兩臺逆變器之間的無功環流幅值減小到0.75A。由此仿真驗證了本文提出的自適應下垂控制能夠起到提高功率分配精度并減少系統環流的作用。

實驗室選取與仿真時相同的參數帶4.5kW阻性負載進行實驗并對實驗波形進行分析。圖9（a）為在并聯的兩臺逆變器使用傳統下垂控制的瞬時及穩態時的實驗波形圖。圖9（b）為在給出了相同負載條件下，在兩臺逆變器并聯基于時使用自適應下垂控制的瞬時及穩態時的實驗波形圖。由圖9（a）和圖9（b）對比可得：并聯瞬間，紅色1通道即兩臺逆變器間的環流在使用傳統下垂控制時減小，系統穩定之后，環流幅值穩定為2A；使用自適應下垂控制時環流快速減小，系統穩定之后，環流幅值降至0.5A。且系統穩定之后，傳統下垂控制下，紫色3通道代表的逆變器1的輸出電流與綠色4通道代表的逆變器2輸出電流可以看出明顯相位差，藍色2通道代表的環流與逆變器輸出電壓相位角相差約90°，此現象說明此時的功率環流的主要成分為無功環流。然而在自適應下垂控制下，逆變器1與逆變器2間的輸出電流已基本重合。實驗結果與仿真結果相一致，因此在帶4.5kW阻性負載的條件下，改進型下垂控制能夠有效地提高系統整體的均分精度（主要是無功功率分配），并且較大限度地抑制功率環流。

4 結論

（1）本文簡要闡述了下垂控制基本原理，并針對現有的基于下垂控制的微電網系統普遍存在的功率環流問題，基于下垂控制的逆變器并聯系統進行了建模分析仿真與實驗證實了本文提出的自適應下垂控制策略可以有效地進行功率均分，同時相對于傳統下垂控制提高了無功功率分配的精度，還減少了系統間環流提升了電能質量。

（2）由于實驗條件限制，只進行了帶阻性負載的系統情況下實驗驗證，有些許片面。且本文使用的改進下垂控制策略只能削弱系統內的環流，而不能完全消除，因此，控制策略方面還有改進的空間。因此，本文取得的成果與結論還存在一些不足。

（3）本文所研究的并聯系統只存在兩臺逆變器，在后續的研究中可以增加逆變器的個數，進一步驗證下垂控制策略的性能。

參考文獻：

[1]張明銳，杜志超，王少波.微網中下垂控制策略及參數選擇研究[J].電工技術學報，2014，29（02）：136-144.

[2]荊龍，黃杏，吳學智.改進型微源下垂控制策略研究[J].電工技術學報，2014，29（02）：145-152+184.

[3]王成山，高菲，李鵬，黃碧斌，丁承第，于浩.低壓微網控制策略研究[J].中國電機工程學報，2012，32（25）：2-9.

[4]鐘慶昌，托馬斯，霍爾尼克.新能源接入智能電網的逆變控制關鍵技術[M].國際電氣工程先進技術譯叢：機械工業出版社，2016.

[5]譚明.光儲聯合微電網控制策略的研究與應用[D].重慶大學，2012.

[6]程軍照，李澍森，吳在軍，陳江波.微電網下垂控制中虛擬電抗的功率解耦機理分析[J].電力系統自動化，2012，36（07）：27-32.