提高多逆變器并網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的控制方法

謝文浩　王建賾　紀(jì)延超

摘要：針對(duì)微電網(wǎng)中多逆變器并列運(yùn)行時(shí)功率分配不當(dāng)導(dǎo)致分布式電源并網(wǎng)困難，特別是功率動(dòng)態(tài)分配的情況下系統(tǒng)可靠性更加惡化的問(wèn)題進(jìn)行研究。首先建立了多機(jī)下垂控制模型，推導(dǎo)下垂系數(shù)與分布式電源容量的匹配方程，并分析系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。其次，提出了一種下垂控制與虛擬同步發(fā)電機(jī)控技術(shù)相結(jié)合的功率控制策略。通過(guò)增大逆變器的慣性和阻尼系數(shù)，抑制了微電網(wǎng)的頻率波動(dòng)，從而在輸出功率靜態(tài)穩(wěn)定的同時(shí)，削弱了分布式電源并網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，提高微電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。最后，通過(guò)Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；逆變器并聯(lián)；下垂控制；虛擬同步發(fā)電機(jī)；穩(wěn)定性

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.013

中圖分類(lèi)號(hào)： TM464

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）01-0070-05

Abstract：The power share among multiple gridconnected inverters in microgrids is investigated to strengthen the system robust， especially when power flow varies frequently. Firstly， a model of droop control based multiple gridconnected inverters is established to deduce proper droop coefficients and analyze statistic stabilities. Then， a control strategy which combines with droop control and virtual synchronous generator is proposed to improve system stability. The proposed control scheme is utilized to increase the inertia and damping for inverters to suppress the fluctuation of frequency， which provides a perfect static stability and minimize shocks. Finally， simulation experiments are conducted to verify the effectiveness and validity of the proposed strategy.

Keywords：microgrid； inverter parallel； droop control； virtual synchronous generator； stability

0引言

隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，分布式電源的并網(wǎng)技術(shù)引起了廣泛的重視[1]。雖然，新能源發(fā)電比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量小，但仍然不能輕視分布式電源給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)的挑戰(zhàn)[2-3]。因此，并網(wǎng)逆變器作為分布式電源與微電網(wǎng)的接口，其控制性能逐漸成為影響微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。

本文討論的多逆變器并列運(yùn)行方式為對(duì)等控制模式，即微電網(wǎng)中各分布式電源在控制權(quán)上具有同等的地位[4-6]，每個(gè)并網(wǎng)逆變器都只根據(jù)接入系統(tǒng)點(diǎn)的電壓頻率和幅值信息進(jìn)行控制，具有即插即用的特點(diǎn)。所以對(duì)等控制模式下的并網(wǎng)逆變器和主控制器之間不存在通信，減輕了上層控制器的壓力。

多逆變器并列運(yùn)行的微電網(wǎng)系統(tǒng)中，最常用的自主控制策略是下垂控制。逆變器采用類(lèi)似傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的下垂特性曲線作為控制依據(jù)，將系統(tǒng)功率動(dòng)態(tài)分配給各分布式電源，保證微電網(wǎng)內(nèi)部的功率平衡[7-9]，具有控制簡(jiǎn)單，靜態(tài)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。然而，常規(guī)下垂控制策略導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器慣性小、難以參與微電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)[10-12]。負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，逆變器無(wú)法為的微電網(wǎng)提供必要的阻尼作用，微電網(wǎng)頻率波動(dòng)較大，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此有必要對(duì)逆變器控制策略的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性展開(kāi)深入研究。值得一提的是虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略能有效增大逆變器的慣性[13-20]。本文提出將功率下垂控制與虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)相結(jié)合的控制策略，保留下垂控制良好的靜態(tài)穩(wěn)定性，同時(shí)提高微電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

1多逆變器并網(wǎng)模型

并網(wǎng)逆變器依據(jù)工作方式可分為電壓控制模式和電流控制模式。考慮到逆變器工作在孤島情況下，需要為微電網(wǎng)提供電壓支撐，同時(shí)為了避免在雙模切換時(shí)的沖擊電流，因此本文所提的控制策略均屬電壓控制模式。圖1表示兩臺(tái)并網(wǎng)逆變器并列運(yùn)行的結(jié)構(gòu)圖，PCC（point of common coupling）為兩臺(tái)逆變器并網(wǎng)的公共耦合點(diǎn)。此時(shí)逆變器的功率外環(huán)產(chǎn)生電壓參考值，再經(jīng)過(guò)電壓電流雙閉環(huán)控制獲得PWM調(diào)制信號(hào)。

式中，X代表逆變器與交流網(wǎng)絡(luò)之間的電抗，Us代表交流網(wǎng)絡(luò)側(cè)電壓幅值，U0代表逆變器輸出電壓的幅值；δ代表逆變器輸出電壓與電網(wǎng)耦合點(diǎn)電壓的功角。正常運(yùn)行時(shí)，δ較小，所以可以認(rèn)為注入電網(wǎng)的有功功率和逆變器輸出電壓的功角呈線性關(guān)系，無(wú)功功率和輸出電壓幅值成線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。

下垂控制正是模擬傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組“功頻靜特性”的方法，其控制原理如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)有功負(fù)荷突然增大時(shí)，電網(wǎng)電壓的頻率下降。下垂控制模擬發(fā)電機(jī)調(diào)速器增大機(jī)組輸出的有功功率，最終使得頻率穩(wěn)定在低于初始值的新穩(wěn)態(tài)。同樣，當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷突然增大時(shí)，電網(wǎng)電壓的幅值下降。下垂控制模擬發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制器控制機(jī)組輸出端電壓，增大發(fā)出的無(wú)功功率，最終使得電壓幅值穩(wěn)定在新的穩(wěn)態(tài)。

從圖2的功率控制圖中可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)下垂控制方法的基本思想是通過(guò)檢測(cè)公共耦合點(diǎn)的電壓頻率和電壓幅值，利用下垂特性式（2）和（3）確定逆變器輸出的有功功率和無(wú)功功率的參考值。實(shí)現(xiàn)各并聯(lián)的逆變器之間的負(fù)荷自動(dòng)分配。

3改進(jìn)的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略

傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)因轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷變化起到一定的穩(wěn)定作用。然而，基于電力電子變換器的分布式電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、慣性小、難以參與電網(wǎng)的功率調(diào)節(jié)，不能為穩(wěn)定性較差的微電網(wǎng)提供必要的阻尼作用，不利于微電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

但是，電力電子器件的逆變器可以借助適當(dāng)?shù)目刂撇呗赃_(dá)到期望的動(dòng)靜態(tài)性能。虛擬同步發(fā)電機(jī)控制通過(guò)模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性和電氣特性，可以有效增大逆變器的慣性和阻尼系數(shù)。

本文提出一種將功率下垂控制與虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)相結(jié)合的控制方法如圖3所示。首先通過(guò)下垂控制規(guī)律模擬發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻的“功頻靜特性”，確保多機(jī)運(yùn)行時(shí)負(fù)載功率的合理分配。然后采用虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，在逆變器的輸出引入慣性。

微電網(wǎng)功率平衡的仿真結(jié)果如圖4所示。在0.25s時(shí)，負(fù)載的有功功率從30kW突加到34.5kW，相應(yīng)地，#1逆變器分配的有功功率從20kW增大到23kW，而#2逆變器分配的有功功率從10kW增大到11.5kW。負(fù)載的功率變化依據(jù)微電源容量自動(dòng)分配給兩臺(tái)逆變器，證明下垂控制在兩機(jī)并列運(yùn)行的系統(tǒng)中具有較好的靜態(tài)穩(wěn)定性。

然后，為測(cè)試常規(guī)下垂控制的動(dòng)態(tài)性能，對(duì)并網(wǎng)逆變器做了空載起動(dòng)、50%額定功率運(yùn)行和100%額定功率（20kW）運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5和圖6所示。在0～0.03s內(nèi)，逆變器工作在預(yù)同步模式，并網(wǎng)后的0.03s～0.07s中逆變器的輸出功率保持在1kW以?xún)?nèi)，并快速減小，說(shuō)明逆變器已經(jīng)成功并網(wǎng)。隨后進(jìn)行了兩次加載實(shí)驗(yàn)，可以看出逆變器加載的動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程為0.03s，并且功率的穩(wěn)態(tài)誤差較小。

為了驗(yàn)證虛擬同步發(fā)電機(jī)的慣性和阻尼特性，搭建了本文提出的虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制模型，結(jié)果如圖7～圖9所示。0.07s時(shí)逆變器的功率參考值從0突加到10kW，而逆變器的并網(wǎng)有功功率經(jīng)過(guò)1.1s的動(dòng)態(tài)過(guò)程才緩慢達(dá)到功率給定值。在逆變器穩(wěn)定工作后，再次增大功率參考值到100%額定功率，觀察到相同的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

比較兩種控制策略的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果，可以看出改進(jìn)虛擬同步發(fā)電機(jī)控制將逆變器的加載過(guò)程從0.03s增大到1.1s，表現(xiàn)出較大的慣性和阻尼作用。

圖9為改進(jìn)虛擬同步發(fā)電機(jī)控制的逆變器參考電壓的角頻率變化過(guò)程，逆變器加載時(shí)參考角頻率的波動(dòng)始終小于0.1rad/s，從而避免了電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，顯著削弱了分布式電源并網(wǎng)對(duì)微電網(wǎng)的沖擊。

5結(jié)論

本文研究了多逆變器并列運(yùn)行下微電網(wǎng)的動(dòng)靜態(tài)穩(wěn)定性。常規(guī)下垂控制策略模擬傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的功頻靜特性，對(duì)有功功率和無(wú)功功率解耦控制，使各逆變器依據(jù)容量自動(dòng)分配微電網(wǎng)中的負(fù)荷變化，具有良好的靜態(tài)穩(wěn)定性。隨后，針對(duì)下垂控制策略慣性和阻尼較小的不足，提出了一種將功率下垂控制與虛擬同步發(fā)電機(jī)控技術(shù)相結(jié)合的控制策略，模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械和電氣特性，控制逆變器的虛擬轉(zhuǎn)矩和機(jī)端電壓的緩慢變化，抑制了微電網(wǎng)的頻率波動(dòng)。最后，通過(guò)仿真驗(yàn)證了本文所提的控制方法使并網(wǎng)逆變器具有了良好的動(dòng)靜態(tài)穩(wěn)定性，削弱了分布式電源并網(wǎng)對(duì)微電網(wǎng)的沖擊，有利于微電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

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（編輯：關(guān)毅）