光伏分布式發電中多逆變器并聯技術分析

廣州城市電力工程有限公司 何 政

以光伏電源是否獨立運行可劃分為獨立并聯結構、公用并聯結構兩類。本文以我公司某光伏發電項目為例，對光伏分布式發電中多逆變器并聯技術進行分析。

1 光伏分布式發電中多逆變器并聯控制方式

1.1 有聯絡線并聯

光伏分布式發電中，多逆變器采用有聯絡線并聯控制方式時具有三種形式。

集中控制形式。其會通過一個集中控制裝置實現控制連接其他逆變器，且可以向所有逆變器同步發出脈沖，再使用鎖相環控制各逆變器電壓，確?；鶞手颠_到脈沖要求，集中進行各逆變器輸出電流的處理，調節其輸出電壓的實際幅值。

主從控制形式。是指在多逆變器并聯的系統中，將其中一臺設置為主機對系統電壓進行控制，而其余逆變器設置為從機對系統電路進行控制。該形式下的主機逆變器會對負載電壓值進行調節，并基于并聯系統的逆變器數量平均分配負載電流，從機逆變器則是跟蹤電流基準。

分散邏輯控制形式。是指將中心控制逆變器的功能分配到各個分散的逆變器中，要求每個逆變器都能協同控制負載電壓，提高系統冗余度，逆變器之間的信息傳遞通過總線實現，再通過比較調節到均載狀態，實現功率和電流的平均化控制。

1.2 無聯絡線并聯

光伏分布式發電機制采用有聯絡線方式并聯控制多逆變器時，可能會出現某個逆變器借助互聯線獲知其余逆變器重要信息的情況，這也容易造成單點故障隱患，為了改善這種情況，有學者研究出電力線通信的無聯絡線并聯控制方式，其是將電力線當作傳播信號的載體，多個逆變器信息都會借助擴頻芯片將信息傳送到交流母線上實現信息疊加，同時也會遵循特點通信規則來傳播信息。簡單來說，就是母線上的信號信息分離處理后共享給各個逆變器，其原理與分散邏輯控制較為相近，有利于提高控制系統的穩定性，減小功率均分的偏差，但這種方式運用的調制芯片會增加經常成本，同時相關交流輸出信號的母線上電壓輸出波形質量有所降低，系統的抗干擾特性變弱，導致電磁兼容性也存在不足，還有待進一步改善。

1.3 下垂特性控制

對于逆變器并聯系統開展建模分析后不難發現，逆變器之間輸出阻抗條件下都表現為電感性，同時電位相位同輸出功率之間有著一定聯系，基于該項規律，下垂特性控制方式被提出，其特點是基于輸出電壓均衡，能夠對無功功率進行調節，通過電壓頻率的調節也能調節相角差，實現有功功率有序分配。這種并聯控制方式也無需在逆變器間設置聯絡線，且逆變器布置的距離不會受到限制，避免了單點故障情況[1]。光伏分布式發電系統中，在多逆變器中按照下垂特性進行控制以及測量，能夠保證交流輸出母線得到連接，從而完成有功/無功功率測定，在依據下垂控制原理對逆變器電壓、相位以及頻率進行調節后，保證負載合理分配，確保并網后穩定運行。

2 基于下垂特性控制的多逆變器并聯控制策略

基于我公司某光伏發電項目的技術經驗，采取下垂特性控制下并聯策略，能夠保證系統性能的穩定，支持并網穩定運行。具體技術要點如下。

2.1 雙環控制策略

2.1.1 下垂特性控制

本文以兩臺逆變器并聯為例，使用LC 濾波器將高頻毛刺濾除，再將線路和交流母線進行連接，其中K1和K2作為輸出繼電器對發電單元控制，負載值為Z1。因此可得到逆變器（i）的輸出電流（I）為：Ei∠φiU∠0°/（ri+jXi）、Si=Ei∠φi×I*oi=Pi+jQi， 其中：I表示逆變器輸出電流，Ei∠φi表示逆變器空載的輸出電壓，U∠0°表示并聯母線電壓，X表示輸出感抗，φ表示輸出電壓以及母線電壓存在的相角差，r表示電阻。Pi表示有功功率，Qi表示無功功率。因此可進一步得出：Pi=1/|Zi|（（UEicosφi-U2）cosθi+UEisinφisinθi）、Qi=1/|Zi|（（UEicosφi-U2）sinθi-UEisinφicosθi）、同時又由于式中的φi值很小，sinφi≈φi，cosφi≈1，因此得出：Pi≈UEi/Xiφi、Qi≈U/Xi（Ei-U），式中：Pi表示有功功率，Xi表示輸出與線路感抗之和，Ei表示逆變器輸出電壓幅值，φi輸出和母線電壓之間相角差，U表示輸出電壓。Qi表示無功功率。

因此可知，有功功率變化受到輸出電壓相角差變化的而影響，無功功率受到輸出電壓變化的影響。調節有功功率可同時對對角頻率進行調節，進一步調節電壓相角差；調節無功功率也能對電壓幅值產生影響。當逆變器輸出阻抗呈電阻性或者電感性時，那么下垂控制方程如下：電阻性。電感性。式中：表示輸出電壓相角差，表示輸出電壓角頻率，mi、ni表示下垂控制系數，Ei表示逆變器輸出電壓幅值，表示輸出電壓角幅值，Qi表示無功功率。

2.1.2 輸出阻抗

通過選取系統參數能夠控制逆變器輸出電阻，電壓控制環用于對輸出電壓波形進行控制，采取PI控制輸出精度，輸出精度更高。電感電流調節環用于對動態性能控制，采取P控制更能保證系統動態性。

逆變器會通過濾波電感輸出，且電感值較大、電感感抗值較電阻值更高，在高壓線路上感抗值較電阻值更高。線路阻抗比和電路電壓存在密切關系，當電壓等級不同時線路阻抗值也存在很大差異。低電壓等級線路的線路阻抗比相對更高。高電壓等級線路的電阻值較小，甚至可以忽略不計。在高壓線路中電阻值遠低于感抗值，而在低壓線路中電阻值較感抗值更高。因此電壓低的情況下輸出阻抗表現為電感性，將線路阻抗加上輸出阻抗等同于等效輸出阻抗值。通過對各項參數的合理控制能夠對輸出阻抗進行設計，從而盡可能減小阻抗產生的影響。因此借助于虛擬阻抗值校正輸出阻抗值，讓逆變器呈電感性。虛擬阻抗來源于等效阻抗，通過閉環控制方法讓等效輸出阻抗達到系統預期特性。在工頻條件下輸出電阻忽略不計，逆變器呈純感性。

引入虛擬阻抗后，電壓參考值Ure和等效輸出阻抗Zv(S)的關系為：Uref=U*ref-Zv（S）i0、Z*out（s）=（kps+ki）kekPWM/ΔZv（S）+Zout（s）=Ls，其中：ki和kp表示PI調節器積分和比例積分系數，ke表示P調節器的比例系數，kPWM表示逆變器增益，i0表示線路電流，Ls表示輸出阻抗近似值，Zout（s）表示輸出阻抗。

從系統環流和電壓控制出發，逆變器輸出阻抗為電感性，應保證并聯分配功率滿足要求，即輸出阻抗同系統額定功率(含有功、無功)存在反比關系。根據輸出阻抗表現為電阻性，可以消除環流以及電壓偏差的影響，但輸出阻抗和容量二者始終處于反比關系。

2.1.3 并聯穩定性控制

對于發電系統而言，需要保證系統運行穩定性。計算輸出功率公式為功率，Q表示無其功中功：率p表，v示 表瞬示時輸功出率電，壓P， 表i示表有示功輸出電流，t表示周期。

方法一：將電流電壓相乘獲取瞬時功率值，計算一個周期的平均值得到平均功率；方法二：選擇低通濾波器后，可將直流分量視作輸出頻率。

在方法一的條件下，周期內輸出功率為統一參數，下垂特性調節周期為1次/周期，系統響應將花費更長的時間；在方法二的條件下，每周期都能完成相應的下垂調節，并聯系統可以做出較快響應[2]。濾波器直流分量主要受到截止頻率的影響，當截止頻率處于較低水平能夠達到更好的濾波效果，但會形成較長時間延遲，影響動態時效性。截止頻率較高時會影響下垂控制的精確性，但動態性能有所提高。在控制策略中應用低通濾波器，低通濾波產生的延時較長，系統響應速度低，因此盡可能選擇較大截止頻率。逆變器電壓幅值取決于輸出功率，改善均流效果可能會造成電壓頻率和幅值的下降，因此在選擇系數時著重于考慮負載達到最大工況下電壓和頻率能夠滿足要求。

2.1.4 諧波功率控制

逆變器輸出電流中包含很多諧波，主要由于SPWM 控制方式產生高頻諧波、輸出阻抗的影響，或者受到整流負載條件下諧波電壓和輸出電壓產生的影響。低通濾波器無法濾除逆變器輸出阻抗上諧波電壓，可能會造成輸出電壓出現畸變。逆變器并聯系統若未重視對諧波的控制可能給系統帶來較大損失，降低帶載能力。諧波功率不同于線性功率分配，無法通過對逆變器的調節來實現均分，一般情況下輸出阻抗呈感性，諧波階次高所產生諧波電壓幅值更高，會影響輸出電壓穩定性。線路阻抗可產生阻抗作用，當阻抗匹配，輸出電壓波形幅度小，逆變器運行過程中諧波功率可實現均分，無需考慮負載諧波均分。因此通過對外環放大增益的控制對輸出阻抗進行調節，從而對諧波電流控制和分配，使得增益下垂減少，減少逆變器承擔的諧波電流。

2.2 電壓控制策略

2.2.1 引入虛擬復阻抗

電容和電感可形成濾波器，濾過高頻毛刺，從而忽略感抗帶來的影響，連接交流負載以及低壓電路[3]。將開關周期進行縮短后，交流變量可瞬間達到平均水平，逆變器輸出阻抗呈現出電阻性。

引入虛擬復阻抗后，在輸出阻抗中表現為電阻性，即使在低頻工況下仍可保證恒定狀態。反之輸出阻抗則表現為電感性，且出現更為敏感變化特征。在低頻工況下的阻抗較小，引入虛擬復阻抗后輸出阻抗值增加，在低頻條件下輸出阻抗值可見明顯增加[4]。其中RD取值并非越高越好，隨著RD值的增加將提高輸出阻抗變化幅度。有研究圍繞輸出阻抗對于并聯均流的影響進行分析得出，輸出阻抗越大更能起到良好的均分效果。根據下垂控制法，相比于輸出電壓值，逆變器輸出電壓可能會產生電壓降且電壓降較大?？梢姙榱俗屳敵鲎杩巩a生電阻性引入虛擬電阻并不可取。虛擬阻抗因同時涵蓋了感抗和電阻，可能會出現輸出電阻增加的情況，當感抗為負時表現出電容性，引起輸出阻抗中感性分量的下降，在工頻條件下可讓輸出阻抗呈現出純阻性[5]。

2.2.2 電壓控制

引入虛擬復阻抗，使用控制器進行精確計算，逆變器輸出電阻為電阻性。采取下垂控制法主要對平均功率進行控制，所有輸出有功功率和無功功率均經過濾波器的濾除才能得到有功功率和無功功率。使用濾波器有效濾除直流分量，在運作過程中負載處于動態變化狀態，逆變器在這一情況仍可保證輸出頻率符合參考頻率要求，從而對輸出頻率進行有效控制。給予虛擬復阻抗進行電壓控制，能夠讓輸出阻抗呈現純陽性，保證逆變器電壓穩定控制，下垂控制法能利用參數控制來控制輸出阻抗的影響[6]。

綜上所述，本文通過引入虛擬阻抗來改變逆變器輸出阻抗，輸出阻抗接近于濾波電感感抗，從而提高系統穩定性，通過采取下垂控制方式達到功率均分目的。在低壓線路中，由于設置較大電阻值，高壓線路電抗值較大，逆變器輸出阻抗呈現出電阻性。在電壓控制上，通過調整下垂控制法來保證輸出阻抗呈純阻性來改善逆變器并聯的均流效果。