引入虛擬阻抗的并聯(lián)逆變器新型下垂控制策略

謝永流， 程志江， 李永東， 胡續(xù)坤， 崔雙喜， 蘇成博

(1. 國網(wǎng)福建三明市供電公司, 福建 三明 365000； 2. 新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830008；3. 國網(wǎng)浙江桐鄉(xiāng)市供電公司, 浙江 桐鄉(xiāng) 314500)

引入虛擬阻抗的并聯(lián)逆變器新型下垂控制策略

謝永流1， 程志江2， 李永東2， 胡續(xù)坤3， 崔雙喜2， 蘇成博1

(1. 國網(wǎng)福建三明市供電公司, 福建 三明 365000； 2. 新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830008；3. 國網(wǎng)浙江桐鄉(xiāng)市供電公司, 浙江 桐鄉(xiāng) 314500)

在微網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)中，由于各逆變器之間的線路距離不同，導(dǎo)致其輸出總阻抗不同且呈阻抗特性，傳統(tǒng)的下垂控制無法得到正確運(yùn)用，系統(tǒng)不能實現(xiàn)功率精確分配。為了解決這個問題，本文在傳統(tǒng)下垂控制算法理論的基礎(chǔ)上，提出一種引入虛擬阻抗的新型下垂控制策略。當(dāng)負(fù)載突變時，該控制策略能保證母線電壓幅值和頻率的穩(wěn)定，抑制兩臺逆變器系統(tǒng)之間的無功環(huán)流，實現(xiàn)系統(tǒng)有功、無功的精確分配，并且通過引入功率微分環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。仿真分析驗證了本文控制策略的可靠性。

微網(wǎng)逆變器； 阻抗特性； 下垂控制； 虛擬阻抗； 無功環(huán)流

1 引言

隨著能源日益枯竭，世界各國面臨巨大的能源危機(jī)挑戰(zhàn)，為了解決能源不足問題，各國都在探索和發(fā)展可再生能源[1,2]。對于傳統(tǒng)大電網(wǎng)來說，由風(fēng)能、太陽能和儲能組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)具有獨特的靈活性和經(jīng)濟(jì)性[3]。在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，可以通過逆變器裝置與外部大電網(wǎng)連接，實現(xiàn)系統(tǒng)能量雙向流動，提高本地負(fù)載供電可靠性[4,5]。

微電網(wǎng)系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行模式下，并聯(lián)逆變器控制策略必須能夠保證系統(tǒng)母線電壓幅值和頻率的穩(wěn)定，而系統(tǒng)中負(fù)載發(fā)生突變時，還要求逆變器輸出功率能夠迅速精確分配[6]。文獻(xiàn)[7,8]采用基于虛擬阻抗的改進(jìn)下垂控制，引入虛擬阻抗減小線路阻抗不確定性造成的功率耦合，通過改進(jìn)電壓/無功下垂控制解決線路阻抗不平衡引起的無功功率均分問題，有效地防止系統(tǒng)的電壓偏差。文獻(xiàn)[9]提出了基于虛擬功率的下垂控制策略，但虛擬功率作為直接控制變量，無法保證實際有功、無功功率在各逆變電源之間的精確分配。而文獻(xiàn)[10]進(jìn)一步提出了基于虛擬頻率-電壓的下垂控制策略，但控制策略復(fù)雜，在實際工程應(yīng)用中很難實現(xiàn)。

本文針對微電網(wǎng)系統(tǒng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行時，傳統(tǒng)下垂控制無法實現(xiàn)系統(tǒng)功率合理分配的問題，通過分析逆變器并聯(lián)運(yùn)行產(chǎn)生環(huán)流的機(jī)理，提出了一種新型的下垂控制策略。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載發(fā)生突變時，該控制策略能夠減小系統(tǒng)因功率下垂系數(shù)和負(fù)載突變所造成的母線電壓幅值和頻率的不穩(wěn)定，并實現(xiàn)了逆變器輸出功率精確分配，通過引入功率微分環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。仿真分析驗證了本文控制策略的可靠性。

2 微電網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)流影響分析

圖1為微電網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。微電網(wǎng)系統(tǒng)主要是由不同分布式電源(太陽能、風(fēng)機(jī))、儲能裝置(蓄電池、超級電容)、交直流負(fù)載、濾波器和電力電子裝置(Boost電路、整流器、逆變器等)組成的獨立系統(tǒng)。

圖1 微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Micro-grid system topology

在實際微電網(wǎng)系統(tǒng)中，通常存在多臺逆變器并聯(lián)運(yùn)行。以兩臺逆變器并聯(lián)運(yùn)行的簡化模型進(jìn)行分析系統(tǒng)環(huán)流產(chǎn)生的機(jī)理，如圖2所示[11]。其中逆變器1和逆變器2輸出電壓矢量分別為E1、E2；逆變器1輸出阻抗與線路阻抗之和為Z1=R1+jX1，逆變器2輸出阻抗與線路阻抗之和為Z2=R2+jX2，R1、R2為等效電阻，X1、X2為等效電抗；交流母線電壓為U。

圖2 逆變器并聯(lián)系統(tǒng)模型Fig.2 Inverter parallel system model

各逆變器系統(tǒng)總阻抗包含了逆變器輸出阻抗和線路阻抗，其中逆變器的輸出阻抗受到系統(tǒng)濾波器參數(shù)和逆變器控制參數(shù)影響，而線路阻抗受線路電壓等級、輸電線長度等因素的影響[12]。借鑒兩臺發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行原理，可以得到兩臺逆變器空載運(yùn)行時，各臺逆變器輸出的無功功率Q1、Q2為：

(1)

式中，E01、E02分別為逆變器1和逆變器2的空載電壓幅值。

如圖2所示，根據(jù)電路原理進(jìn)一步得出：

(2)

由式(1)和式(2)可知，當(dāng)各逆變器系統(tǒng)輸出總阻抗不同以及E01和E02幅值相同、相位發(fā)生變化時，系統(tǒng)會產(chǎn)生環(huán)流，其中環(huán)流Ih可以表示為：

(3)

由此可見，當(dāng)兩臺相同容量逆變器并聯(lián)運(yùn)行時，如果各逆變器系統(tǒng)線路阻抗大小不同，必然會導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流[9]，而環(huán)流的大小取決于兩臺逆變器并聯(lián)運(yùn)行時輸出電壓的幅值和相位，與逆變器的輸出阻抗成反比。

3 逆變器并聯(lián)運(yùn)行控制策略

在傳統(tǒng)的下垂控制中，通過調(diào)節(jié)各臺逆變器的下垂系數(shù)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)功率的分配[13]，下垂特性曲線如圖3所示。其表達(dá)式為：

(4)

式中，m、n分別為有功下垂系數(shù)和無功下垂系數(shù)；x表示逆變器編號。

圖3 下垂控制曲線Fig.3 Droop control curves

根據(jù)兩臺逆變器帶負(fù)載并聯(lián)運(yùn)行等效電路和基爾霍夫電壓(KVL)原理，得到逆變器輸出電壓與負(fù)載端電壓之間的電路方程：

(5)

由于兩臺逆變器并聯(lián)運(yùn)行的等效電路是一個對稱結(jié)構(gòu)，因此以其中一臺逆變器為例，將式(5)變換到d-q坐標(biāo)系下：

(6)

同樣，由于q軸與d軸的電壓控制模型相同，但兩者各自的電壓給定值不同，q軸上的電壓給定值為0，d軸上的電壓給定值為E0，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(7)

式中，E0為d軸上的電壓給定值。

當(dāng)逆變器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，如果其電壓達(dá)到預(yù)先設(shè)置的給定值，那么在式(7)中分別加入電抗項X1iq1和-X1id1，保證逆變器的輸出阻抗特性呈感性，即：

(8)

從式(8)中可以看出，d軸有功電流和q軸無功電流的電抗可以不同。從有功功率角度看，如果系統(tǒng)的電抗X越大，那么導(dǎo)致兩臺逆變器之間的聯(lián)系變?nèi)酰菀资ネ竭\(yùn)行；但從抑制系統(tǒng)環(huán)流角度來看，系統(tǒng)的電抗X越大，則系統(tǒng)的環(huán)流越小。因此，利用無功下垂控制系數(shù)nc與電抗X之間的關(guān)系，對式(8)引入額外的電抗：

(9)

式中，Qn包括虛擬電抗上的感性無功。

同樣原理，為了使下垂控制能夠正確工作，必須保證逆變器系統(tǒng)輸出總阻抗呈感性。由于逆變器之間的線路距離不同，導(dǎo)致線路的電阻大小不同，因此對式(9)引入一定阻值的虛擬電阻r：

(10)

在實際微電網(wǎng)系統(tǒng)中，線路主要呈純阻性或阻感性，因線路阻抗差異，傳統(tǒng)下垂控制難以實現(xiàn)各臺逆變器輸出功率精確分配。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載突變時，為了保證系統(tǒng)具有更好的動態(tài)功率調(diào)節(jié)性能，對傳統(tǒng)下垂控制進(jìn)行改進(jìn)得到新型下垂控制，如式(11)所示：

(11)

式中，km、kn分別為有功、無功反饋系數(shù)；m、n分別為有功、無功下垂系數(shù)；np、nq分別為有功、無功微分系數(shù)。

圖4 多閉環(huán)下垂控制框圖Fig.4 Closed-loop droop control block diagram

引入虛擬阻抗的新型下垂控制的多閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了提高系統(tǒng)抗擾動能力，將負(fù)載電壓作為反饋補(bǔ)償，其中Zv為虛擬阻抗，包括虛擬電阻r和虛擬電抗X，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻抗大小可以保證并聯(lián)逆變器系統(tǒng)實現(xiàn)功率精確分配。

4 系統(tǒng)仿真分析

在Matlab/Simulink軟件中搭建兩臺容量相同的逆變器并聯(lián)運(yùn)行模型，驗證本文采用的控制策略，具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)表

圖5 傳統(tǒng)下垂控制仿真結(jié)果Fig.5 Traditional droop control simulation results

圖6 新型下垂控制仿真結(jié)果Fig.6 New droop control simulation results

首先設(shè)置兩臺逆變器并聯(lián)帶負(fù)載1穩(wěn)定運(yùn)行，在0.2s時負(fù)載2投入，0.3s時切出，0.4s時逆變器2切出并聯(lián)運(yùn)行，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。圖5(a)中，采用傳統(tǒng)下垂控制時，兩臺逆變器按照設(shè)定的下垂系數(shù)輸出有功、無功功率。由于各逆變電源之間的線路距離不同，導(dǎo)致逆變器輸出總阻抗不同，在負(fù)載發(fā)生突變時，采用傳統(tǒng)的下垂控制，兩臺逆變器無法精確分配各自出力，尤其是其輸出無功功率存在明顯的波動，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)供電可靠性；圖5(b)為系統(tǒng)交流母線電壓有效值，在0.2s和0.3s負(fù)載2分別投入、切出、0.4s逆變器2切出并聯(lián)運(yùn)行時，電壓幅值出現(xiàn)波動；圖5(c)為三相負(fù)載電流波形，可以看出電流波形不穩(wěn)定。

從圖6(a)可知，在負(fù)載2投入、切出和逆變器2切出并聯(lián)運(yùn)行時，采用新型控制策略，負(fù)載突變瞬間兩臺逆變器輸出功率沒有出現(xiàn)明顯波動，保證了系統(tǒng)向本地負(fù)載提供穩(wěn)定功率，并實現(xiàn)了系統(tǒng)功率均分；圖6(b)中，在0.2s和0.3s負(fù)載2分別投入、切出、0.4s逆變器2切出并聯(lián)運(yùn)行時，其波形與圖5(b)大致相同；圖6(c)中，在負(fù)載突變時，三相電流波形穩(wěn)定，電流幅值能在短時間內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定電流。

5 結(jié)論

由于微電網(wǎng)系統(tǒng)中各電源之間線路距離不同，導(dǎo)致線路阻抗大小存在差異，難以保證精確分配系統(tǒng)各逆變器輸出功率。在傳統(tǒng)下垂控制的基礎(chǔ)上，本文通過引入虛擬阻抗解決線路阻抗大小不同帶來的影響，同時加入功率微分項，在負(fù)載發(fā)生突變時，提高系統(tǒng)功率動態(tài)調(diào)節(jié)，避免逆變器輸出電壓幅值和頻率過度跌落影響系統(tǒng)穩(wěn)定。仿真分析驗證了本文提出的控制策略的可靠性。

[1] 王成山, 李鵬 (Wang Chengshan, Li Peng). 分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn) (Development and challenges of distributed generation, the microgrid and smart distribution system) [J]. 電力系統(tǒng)自動化 (Automation of Electric Power Systems), 2010, 34(2): 10-16.

[2] Li Yunwei, Vilathgamuwa D M, Loh P C. Design, analysis, and real-time testing of a controller for multibus microgrid system [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, 19(5): 1195-1204.

[3] Wang P, Goel L, Liu X, et al. Harmonizing AC and DC: A hybrid AC/DC future grid solution [J]. IEEE Power and Energy Magazine, 2013, 11(3): 76-83.

[4] 劉佳易, 秦文萍, 韓肖清, 等 (Liu Jiayi, Qin Wenping, Han Xiaoqing, et al.). 交直流雙向功率變換器的改進(jìn)下垂控制策略 (Control method of interlink-converter in DC micro-grid) [J]. 電網(wǎng)技術(shù) (Power System Technology), 2014, 38(2): 304-310.

[5] Liu X, Wang P M, Loh P C. A hybrid AC/DC micro-grid and its coordination control [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2011, 2(2): 278-286.

[6] 韓華, 劉堯, 孫堯, 等 (Han Hua, Liu Yao, Sun Yao, et al.). 一種微電網(wǎng)無功均分的改進(jìn)控制策略 (An improved control strategy for reactive power sharing in micro-grids) [J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報 (Proceedings of the CSEE), 2014, 34(16): 2639-2648.

[7] 張明銳, 杜志超, 黎娜, 等 (Zhang Mingrui, Du Zhichao, Li Na, et al.). 高壓微網(wǎng)孤島運(yùn)行時頻率穩(wěn)定控制策略研究 (Control strategies of frequency stability for islanding high-voltage micro-grid) [J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報 (Proceedings of the CSEE), 2012, 32(25): 20-26.

[8] 程軍照, 李澍森, 吳在軍, 等 (Cheng Junzhao, Li Shusen, Wu Zaijun, et al.). 微電網(wǎng)下垂控制中虛擬電抗的功率解耦機(jī)理分析 (Analysis of power decoupling mechanism for droop control with virtual inductance in a micro-grid) [J]. 電力系統(tǒng)自動化 (Automation of Electric Power Systems), 2012, 36(7): 27-32.

[9] De Brabandere K, Bolsens B, Van den Keybus J, et al. A voltage and frequency droop control method for parallel inverters [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(4): 1107-1115.

(，cont.onp.61)(，cont.fromp.25)

[10] Li Yan, Li Yunwei. Decoupled power control for an inverter based low voltage micro-grid in autonomous operation [A]. IEEE 6th International Power Electronics and Motion Control Conference [C]. Wuhan, China, 2009. 2490-2496.

[11] 劉喜梅,趙倩, 姚致清 (Liu Ximei，Zhao Qian，Yao Zhiqing). 基于改進(jìn)下垂算法的同步逆變器并聯(lián)控制策略研究 (Research on control strategy of parallel synchronous inverters based on improved droop algorithm) [J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 (Power System Protection and Control), 2012, 40(14): 103-108.

[12] Yun Wei Li，Ching-nan Kao．An accurate power control strategy for power-electronics-interfaced distributed generation units operating in a low-voltage multibus micro-grid [J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(12)：2977-2988．

[13] 方天治, 阮新波, 肖嵐, 等 (Fang Tianzhi，Ruan Xinbo，Xiao Lan，et al.). 一種改進(jìn)的分布式逆變器并聯(lián)控制策略 (An improved distributed control strategy of parallel inverters) [J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報 (Proceedings of the CSEE)，2008, 28(33)：30-36．

New droop control strategy for parallel inverter with virtual impedance

XIE Yong-liu1， CHENG Zhi-jiang2， LI Yong-dong2， HU Xu-kun3， CUI Shuang-xi2, SU Cheng-bo1

(1. Power Supply Bureau of Sanming， Sanming 365000, China； 2. College of Electrical Engineering，Xinjiang University， Urumchi 830008, China； 3. Power Supply Bureau of Tongxiang，Tongxiang 314500， China)

Due to the different line distances between each of the inverters in the parallel operating micro-grid inverter system, resulting in its total output impedance different and presenting impedance characteristics, the traditional droop control can not be properly used, and the system can not achieve the accurate power distribution. To solve this problem, based on the traditional theory of the droop control algorithm, this paper proposes a new droop control strategy by introduction of a new virtual impedance. When the load mutates, the control strategy can guarantee bus voltage amplitude and frequency stable, suppress reactive circulation between the two inverters system, and precisely allocate active power and reactive power. The strategy further introduces the power differential part that can improve the system dynamic response. The simulation results verify the reliability of the control strategy.

micro-grid inverter； impedance characteristics； droop control； virtual impedance； reactive circulation

2014-07-04

國家自然科學(xué)基金資助項目(51567022)、 新疆研究生科研創(chuàng)新項目(XJGRI2014028)、科技支疆項目(2013911036)

謝永流(1987-), 男， 福建籍, 助理工程師， 碩士， 研究方向為微電網(wǎng)系統(tǒng)中逆變器的控制策略； 程志江(1977-)， 男， 重慶籍， 副教授， 碩士生導(dǎo)師， 主要從事微電網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究(通信作者)。

TM464; TM761

A

1003-3076(2016)03-0022-04