一種新型低壓微網逆變器并聯策略研究

喻景康，顧軍，索亞楠，羅心宇，郭誠

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

一種新型低壓微網逆變器并聯策略研究

喻景康，顧軍，索亞楠，羅心宇，郭誠

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

傳統(tǒng)下垂控制未考慮線路阻抗的影響，使得逆變器并聯系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大降低以及功率分配不合理。因此，研究一種帶有虛擬阻抗的新型控制策略，該策略采用等效參考電流，能有效地改善系統(tǒng)動態(tài)響應和縮小電壓Ud波動范圍。通過引入dq坐標系下虛擬阻抗使得低壓微電網中有功無功解耦并改善功率分配效果。仿真實驗結果表明，該策略能較好地解決逆變器間環(huán)流問題，達到優(yōu)良的功率分配效果以及有效地降低電壓波動范圍。

等效參考電流；虛擬阻抗；下垂控制；電壓波動；功率分配

近年來，基于環(huán)境保護、節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的要求且以分散性、可靠性、高利用率為主要特點的分布式電源（distributed generation，DG）技術的迅速發(fā)展，微電網引起了社會關注并掀起了學術界研究熱潮［1］。典型微電網由DG單元、儲能裝置、能量轉化裝置、負荷、監(jiān)控裝置和保護裝置等組成，既可以與外部電網并網運行，也可以孤立運行?，F有的微電網控制方式大體有3種，其中最常用的是對等控制。該控制結構中各DG單元之間不需要進行通信，通常采用依據傳統(tǒng)下垂控制基礎而改動的策略。傳統(tǒng)的下垂控制由于忽略了DG之間線路阻抗的影響，所以在獨立型微電網逆變器之間的功率分配方面還存在問題。此外，傳統(tǒng)下垂控制的功率分析中還用到了公共結點（point of common coupling，PCC）電壓，并由此導出了下垂控制等式［2］。但是，隨著電路中感性負載增多引起無功負荷的增大以及下垂控制自身的原因，PCC電壓波動范圍較大［3］，由此易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

文獻［4］首次提出了下垂控制方法的思想，參照同步發(fā)電機的一次調頻控制，分別通過頻率、電壓和有功、無功之間的關系對輸出的有功和無功功率進行控制?，F今已有大量文獻在原有的下垂控制基礎上，對其進行改進研究。文獻［5］提出一種增大下垂系數的控制策略，該策略使系統(tǒng)孤立時功率均分的準確性得到提高，但因下垂系數過大導致系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，電壓跌落增大。文獻［6］提出一種按逆變器容量比例分擔負荷的控制策略，但未對帶本地負荷的情況進行仿真研究。文獻［7］在傳統(tǒng)下垂控制式中加入與線路電阻和無功相關的一次項，較好地完成了功率均分，但需要線路電阻值。針對上述方法，本文研究一種新型控制策略。該策略采用等效參考電流控制，能有效地改善系統(tǒng)動態(tài)響應和縮小電壓波動范圍，再通過引入dq坐標系下虛擬阻抗，使得低壓微網中有功無功解耦并改善功率分配效果。Matlab/Simulink仿真模型表明該策略能較好地解決逆變器間環(huán)流問題，達到優(yōu)良的功率分配效果以及有效地降低系統(tǒng)電壓波動程度。

1 下垂控制分析

DG單元在微電網中結構如圖1所示。

圖1 微電網中DG結構Fig.1 Configuration of DG in the microgrid

圖1中，Udc為直流端電壓；L，C分別為網側濾波電感和濾波電容；Zline為網側線路阻抗；ui，uo分別為逆變器輸出電壓和電容電壓；ila，iac，ioa分別為橋臂側a相濾波電感電流、濾波電容電流以及輸出電流。

DG結構中控制方法采用傳統(tǒng)下垂控制的結構框圖如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)droop control結構圖Fig.2 Schematic diagram of the traditional droop control

圖2中，uo，io，il分別為輸出電壓、輸出電流以及濾波電感電流；uod/q，iod/q，ild/q分別為輸出電壓、輸出電流以及濾波電感電流分別經3-2變換后d/q軸上分量；Po，Qo分別為功率計算輸出有功功率和無功功率；u*od/q,ωt分別為d/q軸上輸出電壓的期望值及3-2變換和2-3變換中的角度；u*d/q,uref分別為電壓電流閉環(huán)控制器輸出電壓和2-3變換后的電壓調制信號。

假設線路呈感性，則線路電阻可無需考慮，由此，逆變器輸出的無功功率主要由其兩端的電壓差決定，有功功率主要由其角度差決定，而角度差可以轉化為頻率差。綜上，傳統(tǒng)下垂公式［8］可以表示如下：

式中：fn,Un分別為參考電壓的頻率及幅值；Pn, Qn分別為DG輸出的有功功率參考值和無功功率參考值；f*,U*分別為功率控制器生成的電壓頻率和幅值期望值，通過變換可生成電壓電流雙閉環(huán)控制輸入端的參考值；m，n分別為傳統(tǒng)下垂控制方法模擬同步發(fā)電機中頻率和電壓下垂特性所得出的下垂系數。

容量不同的2臺DG單元并聯，其基于下垂系數m和n的頻率、電壓下垂特性圖［9］如圖3所示。

圖3 基于下垂系數m/n的頻率/電壓圖Fig.3 Diagram of frequency/voltage based on droop coefficient m/n

由圖3可以推出，當容量不同的逆變器并聯時，為了實現在同一頻率或幅值下的功率均衡輸出，有如下等式成立：m1P1=m2P2，若某種情況下，有功功率P最大且無功功率Q輸出為零時，則有m1S1=m2S2成立，同樣可得n1S1=n2S2。由此可知，當微電網內存在著多數不同容量的逆變器且要求它們能夠在其額定容量下運行時，DG的額定容量需要滿足以下關系：

式中：k為并聯逆變器的數量；Sk為各DG單元的額定容量。

微電網中并聯運行的逆變器容量在實際中不可能完全一致，而且工作環(huán)境容易變化，再加上線路阻抗的影響。因此使用式（2）很難實現對功率進行合理分配的目的。

2 新型控制策略

2.1 等效參考電流控制

Clark變換和Park變換在鎖相環(huán)中能將三相靜止abc坐標系中的正弦量變換成兩相同步旋轉dq坐標系中的直流量。其中，若d軸在該變換中被選作為與電壓矢量相同的方向，則功率可以表示為

三十七年轉瞬即逝，傷心的往事都風一樣刮過去了，但有個人，像血液每天流淌在她的血管里，貫穿于身體與她的生命同在。那人，就是楊琳，她的恩人。十年前，歐陽橘紅曾托濱湖公司去部里開會的領導，打聽楊琳，他們給她提供了三個叫楊琳的人，但年齡都對不上。她要趁有生之年，回濱湖看看楊琳。

式中：Δφ為電壓電流間的角度差。

因鎖相環(huán)中的PI調節(jié)器具有直流無靜差調節(jié)特性，即通過對uq的PI調節(jié)，可使uq趨于零，故式（3）進一步化簡可表示為

將式（4）代入式（1）后，再對其做一個合適的變形，可得：

式中：idn，iqn分別為dq坐標系下的參考電流，可以分別由參考有功功率和無功功率計算出；id,iq分別為dq坐標系下的輸出電流；ud為d軸分量上的輸出電壓。

則式（5）可以重寫為

式（6）分別疊加電壓頻率的偏差量Δf和電壓幅值的偏差量ΔU到參考電流idn和iqn中，疊加后的電流可稱為“等效參考電流”［10］。

基于上述分析，研究的等效參考電流控制等式為

圖4 i'dn/i'qn控制結構框圖Fig.4 Schematic diagram of the control structure ofi'dn/i'qn

式（6）巧妙地把式（1）中難以分析的無功功率轉換為易于計算的ΔU和Kn，有功功率同理可得。為便于研究，下面以i'qn—ΔU為分析對象。微電網處于孤島模式下運行時，等效參考電流i'qn的曲線圖如圖5所示。

圖5 孤島模式下i'qn—ΔU圖Fig.5 Diagram ofi'qn—ΔUin islanding mode

若不計線路阻抗的影響，則各個DG單元的ΔU近似相等，該情況下，DG輸出功率僅與直線的斜率Kn有關。基于不同的Kn，各個DG可以根據自身容量的不同而實施負載分配。由式（7）可知，在確保系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，還可以適當提高比例和積分系數，而同等條件下與傳統(tǒng)的下垂控制式（1）相比，其只含有比例控制且動態(tài)性能受下垂系數影響，故等效參考電流控制可以有效地加速控制系統(tǒng)的動態(tài)調整，從而克服傳統(tǒng)下垂控制中固有的緩慢動態(tài)響應缺點以及定期調整帶來的弊端。此外，還能在很大程度上減輕由負載電壓、頻率改變所帶來的影響?？梢悦鞔_地看到，在孤島模式中，等效參考電流控制策略可以提供更好的頻率和電壓給微電網。

2.2 基于虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制

為了保證微電網逆變器能夠按照指令準確分配功率，輸出阻抗需要滿足特定的匹配關系［11］。然而該匹配關系在實際中較難實現，由此不少學者提出了虛擬阻抗的概念，從而改善輸出阻抗的匹配。此外，因低通濾波器具有在abc坐標系下影響虛擬阻抗的性質，故引用dq坐標系下的虛擬阻抗實現方法［12］。

通過對電壓、電流鎖相后，dq坐標系下實現虛擬阻抗的電路方程：

由式（8）可知，內電壓Ud/q減去虛擬阻抗產生的壓降可獲得輸出電壓給定值U*od/q。此外，為了提取電流的基波分量，應分別在輸出電流的d，q分量上進行低通濾波處理。最后，為了抵消旋轉變換產生的逆變器主電路耦合，在電壓電流雙閉環(huán)控制中加入解耦項Uod/qωC和ild/qωL。整體控制結構框圖如圖6所示。

圖6 d-q坐標系下帶有虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制圖Fig.6 Diagram of dual closed loop control with virtual impedance under the d-q coordinate

3 仿真分析

通過Matlab/Simulink集成環(huán)境搭建仿真模型，分別采用傳統(tǒng)下垂控制方法和本文依據圖4和圖6所示的新型控制策略進行仿真。設計2臺容量一樣的逆變器并聯運行且觀測各個方法的作用效果，并設定2臺逆變器的并聯時刻點為0.1 s。系統(tǒng)簡易結構圖如圖7所示。仿真參數為：系統(tǒng)電壓U=650 V，濾波電感L=0.8 mH，濾波電容C=30 μF，負載電阻R=10 ?，P-w下垂系數m=5e-5，Q-U下垂系數n=3e-3，虛擬電阻RV=0.5?，虛擬電感LV=0.01 mH，電壓外環(huán)kp=7.5，ki= 1.2，電流內環(huán)kp=0.4，ki=0.1。

圖7 仿真系統(tǒng)簡易結構圖Fig.7 Simple schematic diagram of simulation system

圖8a～圖8d是通過傳統(tǒng)下垂控制方法輸出波形圖；圖8e～圖8h則是采用新型控制策略輸出波形圖。可以從仿真結果波形圖中清晰地看到，傳統(tǒng)下垂控制在電壓精度準確和電壓穩(wěn)定程度，電路環(huán)流存在以及功率均分等方面存在問題，相比較，本文研究的新型控制策略則在電壓波動上有著較小的落差，在電壓穩(wěn)定上能達到良好的狀態(tài)，并聯逆變器間電路環(huán)流明顯減小直至接近為零，功率均分上能達到優(yōu)良的動態(tài)響應和幾乎準確的數值效果。

圖8 Matlab/Simulink仿真波形圖Fig.8 Diagram of simulation waveforms under Matlab/Simulink

4 結論

本文研究基于等效參考電流和d-q坐標系下虛擬阻抗的控制方法能很好地適應于逆變器并聯結構。Matlab/Simulink仿真模型結果證實了該方法。相對于目前一些下垂研究方法的不足，再參考實驗波形結果可明顯得出，本文所研究控制方法的優(yōu)點有2點：1）能較好地解決逆變器間環(huán)流問題，達到優(yōu)良的功率分配效果；2）能有效地縮小電壓波動范圍，進而提高系統(tǒng)的供電電壓質量。

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A New Strategy for Parallel-connected Converters in Low Voltage Microgrid

YU Jingkang，GU Jun，SU0 Yanan，LU0 Xinyu，GU0 Cheng
（School of Electrical and Information Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，Anhui，China）

Traditional droop control method has not considered the influence of line impedance，so the stability of inverter parallel system is greatly reduced and the power allocation is not reasonable.As a result，a new control strategy with virtual impedance was studied on.The strategy adopted equivalent reference current，which could effectively improve the system dynamic response and narrow the scope of voltage fluctuation.By introducing virtual impedance under dq coordinate system the active power and the reactive power in low voltage microgrid were decoupled and power distribution effect was improved.Simulation results show that this strategy can better solve the current problem between inverter circulation，achieve good effect of power distribution and reduce the degree of voltage fluctuation effectively.

equivalent reference current；virtual impedance；droop control；voltage fluctuation；power distributionol

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20161009

2015-09-02

修改稿日期：2016-04-19

喻景康（1992-），男，碩士研究生，Email：15895954853@163.com