基于虛擬阻抗的逆變器并聯系統柔性功率調控策略

王 林

基于虛擬阻抗的逆變器并聯系統柔性功率調控策略

王 林

（海裝駐武漢第二代表室，武漢 430060）

下垂控制作為無互聯線的并聯系統功率環控制技術，在逆變器并聯系統中應用十分廣泛。但是，對于傳統的基于感性或阻性阻抗的下垂控制，各逆變器輸出阻抗之間的差異會對并聯系統的功率調節精度造成較大影響。針對以上問題，本文提出了一種基于虛擬阻抗的柔性功率調控策略，在實現逆變器輸出功率解耦的情況下改善并聯系統的功率分配精度，提高下垂控制的魯棒性和控制性能。最后，通過逆變器并聯系統驗證了所提方案的有效性。

下垂控制 功率耦合 虛擬阻抗 功率分配

0 引言

對于逆變器并聯系統而言，由于各逆變器連接線路的長度不同，以及逆變器間元器件參數的不一致，各逆變器的輸出阻抗不可避免的會存在差異，且一般呈阻感性，這將會影響并聯系統的功率調節精度，甚至損害系統的穩定性。因此，針對各逆變器輸出阻抗之間的差異，研究改善逆變器并聯系統功率分配的功率調控策略顯得尤為重要[1]。

目前，當線路阻抗呈現阻感性時，逆變器并聯系統功率耦合問題的解決方案主要分為以下四類：虛擬功率法，虛擬電壓頻率法，電壓前饋補償法和虛擬阻抗法。文獻[2]提出了一種基于虛擬功率的改進下垂控制策略，通過旋轉實際功率矢量得到僅與端電壓頻率相關的虛擬有功功率和僅與端電壓幅值相關的虛擬無功功率，實現有功功率和無功功率的解耦控制。文獻[3]提出了一種基于統一功率旋轉角的改進虛擬功率法，通過旋轉同一阻抗角來解決傳統虛擬功率法中線路阻抗角不一致造成的有功功率和無功功率分配誤差問題，但該方案無法做到完全解耦，系統的穩定裕度仍然較低。文獻[4]提出了一種基于虛擬頻率和電壓的解耦策略，其本質類似于虛擬功率法，將頻率和電壓轉換為虛擬幀，來間接實現功率的解耦控制。文獻[5]采用了虛擬阻抗法來實現直接解耦，通過加入虛擬電感來補償線路阻抗，保障線路阻抗近似呈現感性。

針對線路阻抗不匹配造成的功率耦合和功率分配誤差問題，本文基于傳統虛擬阻抗法，在下垂控制系統中引入虛擬負電感來補償線路阻抗中的感性成分來實現有功功率和無功功率解耦。在此基礎上，在逆變器的控制系統中引入虛擬阻抗來平衡逆變器的輸出阻抗和線路阻抗，從而減小各逆變器之間的差異，實現較好的功率分配效果，并加入二次控制補償電壓跌落。

2 下垂控制的基本原理

圖1所示為逆變器單元的等效電路圖。其中，∠為變換器端輸出電壓，U∠0為PCC點電壓，∠為變換器單元到PCC點的線路阻抗，和表示逆變器輸出有功功率和無功功率。

圖1 逆變器單元等效電路

根據圖1，逆變器的輸出有功功率和無功功率可以近似化簡為

式中，E、w分別為逆變器空載輸出電壓幅值和角頻率指令值；k、k為有功功率和無功功率的下垂系數；、分別為逆變器輸出有功功率和無功功率；、為逆變器指令電壓的幅值和角頻率。

3 基于虛擬阻抗的功率解耦策略

由于下垂控制系統的輸出功率耦合現象主要由線路阻抗的阻感特性引起，因此，可以通過添加虛擬電感來補償線路阻抗，使得線路阻抗近似呈阻性，來實現有功功率與無功功率的解耦。通常來說，逆變器的電壓、電流雙環控制器的帶寬相對工頻較高，因此如果需要完全補償線路阻抗中的感性成分，則應引入虛擬負電感來補償線路阻抗中的感性成分來實現有功功率和無功功率解耦。

4 逆變器并聯系統的柔性功率調控策略

由于各逆變器輸出阻抗之間的差異，下垂控制存在功率分配精度和輸出電壓精度之間的矛盾。為了保障功率分配精度，需要引入較大的虛擬阻抗。但是，較大的虛擬阻抗會導致輸出電壓有較大跌落。因此，為了減小下垂控制和虛擬阻抗對輸出電壓精度的影響，需要補償輸出電壓的幅值和頻率。

考慮到逆變器并聯系統輸出電壓精度和頻率精度均和輸出功率有關，因此，可以根據并聯系統總的輸出有功功率和無功功率實現輸出電壓和頻率的二次控制。

其中，P、Q為逆變器并聯系統的輸出有功功率和無功功率；k、k為有功功率和無功功率的補償系數。

5 調控策略驗證與結果分析

通過逆變器并聯系統來驗證所提方案的有效性和可行性，每臺逆變器額定容量為10 kVA，通過CAN通信傳送各逆變器的輸出功率信息。各逆變器的線路阻抗為：逆變器1的連線阻抗Z1= 0.03+j0.01 Ω，逆變器2的連線阻抗Z2= 0.01+j0.02 Ω，逆變器3的連線阻抗Z3= 0.02+j0.01 Ω。其他電路參數如表1所示。由于各逆變器的輸出線路阻抗均有較大的感性成分，因此，以感性成分較大的逆變器2為例，驗證本文所提控制策略的有效性。

表1 三相逆變器電路參數

先將逆變器2并網運行，并在給定時刻提供1kW的有功功率階躍。定義=|Δ/ΔP|為逆變器輸出無功功率與有功功率的耦合系數，當采用傳統下垂控制時，=49%，無功功率與有功功率存在較強耦合。同樣設定ΔP=1 kW，ΔQ=0 Var。圖3(a)和3(b)為采用基于虛擬阻抗的下垂控制下逆變器的輸出有功功率和無功功率曲線。如圖中所示，當基于虛擬阻抗的下垂控制啟動后，無功功率Δ=-95Var，=9.5%。因此，該策略可以有效實現無功功率與有功功率的解耦。

圖4、圖5為采用相同的硬件參數下，逆變器控制中不加入虛擬阻抗和加入虛擬阻抗時三臺逆變器的輸出有功功率和無功功率曲線。從圖中可以看出，在不加入虛擬阻抗時，由于逆變器參數的差異，并聯模塊的有功功率無法實現均分，并且誤差隨著負載功率增大而增大，誤差功率接近平均功率的20%左右；在引入虛擬阻抗和電壓幅值、頻率二次控制之后，如圖5所示，此時各逆變器輸出輸出阻抗基本一致，輸出功率也接近相同，各逆變器模塊之間能夠實現功率均分，驗證了本文所提出的并聯控制策略的有效性。

圖3 基于虛擬阻抗的下垂控制輸出有功功率及無功功率曲線

圖4 無虛擬阻抗下并聯系統各逆變器輸出的有功功率和無功功率

圖5 有虛擬阻抗下并聯系統各逆變器輸出的有功功率和無功功率

6 結論

本文針對逆變器并聯系統，分析了三相逆變器的輸出阻抗特性，引入虛擬阻抗實現了逆變器輸出功率的解耦，提高了下垂控制的控制精度。在此基礎上，提出了基于虛擬阻抗和電壓幅值、頻率二次控制的混合控制策略，以降低各逆變器間輸出阻抗的不平衡度，提高并聯系統功率分配特性和電能質量。最后通過三臺逆變器組成的并聯系統驗證了所提控制策略的可行性與有效性。

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Flexible Power Control Strategy for Parallel Inverters Based on Virtual Impedance

Wang Lin

（The Second Naval Representatives Office in Wuhan, Wuhan 430060, China）

TM464

A

1003-4862（2021）06-0026-03

2021-03-18

王林（1979-），男，碩士，工程師，研究方向：電力系統自動化。E-mail: 754515422@qq.com