并網(wǎng)逆變器的魯棒下垂控制技術(shù)

郝美麗

(山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司， 山西　長(zhǎng)治　046000)

0　引言

傳統(tǒng)下垂控制策略通過(guò)模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的下垂特性，對(duì)逆變器輸出的有功、無(wú)功功率以及輸出電壓、頻率之間的關(guān)系進(jìn)行獨(dú)立的解耦控制，然后據(jù)此調(diào)節(jié)微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)各逆變器合理分配負(fù)載上的功率，保證微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定。但是目前的傳統(tǒng)下垂策略由于受線路阻抗、輸出電壓降落等因素的影響，在功率分配方面存在局限性，實(shí)際應(yīng)用中，均流效果并不理想[1-2]。

本文首先分析了傳統(tǒng)下垂控制策略的機(jī)理，以及無(wú)法實(shí)現(xiàn)功率合理分配的原因，在此基礎(chǔ)上提出魯棒控制策略，給出了魯棒下垂控制器的原理以及參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程，最后在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1　傳統(tǒng)下垂控制策略

圖1為兩臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的簡(jiǎn)化圖，假設(shè)兩臺(tái)逆變器的輸出阻抗為阻性，分別是Ro1和Ro2，輸出電流分別為i1、i2。線路阻抗可以忽略，逆變器的輸出阻抗在逆變器到交流母線的阻抗中占主導(dǎo)地位。兩臺(tái)逆變器的參考電壓vr1、vr2分別為：

(1)

(2)

v0=vr1-Ro1i1=vr2-Ro2i2.

(3)

當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，電壓v0會(huì)出現(xiàn)下降，稱之為負(fù)載效應(yīng)。在此將對(duì)圖1中兩臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行進(jìn)行分析。

每臺(tái)逆變器注入公共母線的有功功率Pi、無(wú)功功率Qi(i=1，2)分別為：

(4)

(5)

其中：V0為公共節(jié)點(diǎn)電壓v0的有效值。

圖1　輸出阻抗為阻性的兩臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行

Ei=E*-niPi.

(6)

ωi=ω*+miQi.

(7)

其中：Ei、E*分別為逆變器的實(shí)際輸出電壓和額定輸出電壓。

為了使逆變器按比例分配設(shè)定的功率，下垂控制器的參數(shù)應(yīng)該和他們的額定功率成反比。ni、mi應(yīng)該滿足下式:

(8)

(9)

圖2　傳統(tǒng)下垂控制器結(jié)構(gòu)

很容易推出ni、mi也滿足下式：

(10)

然而，在實(shí)際情況下，考慮到線路阻抗不同，這樣的條件是很難滿足的。

2　魯棒下垂控制原理及其控制器設(shè)計(jì)

2.1　魯棒下垂控制原理

事實(shí)上，式(6)可以改寫成：

ΔEi=Ei-E*=-niPi.

(11)

其中：ΔEi為電壓降。

電壓Ei可以通過(guò)ΔEi的積分來(lái)表示：

(12)

為了使設(shè)計(jì)的功率沒(méi)有誤差地送入大電網(wǎng)，這里的ΔEi在微電網(wǎng)中最終要設(shè)置為0。然而，由于在孤島運(yùn)行模式下有功功率Pi是由負(fù)載決定的并且ΔEi不可能為0，這將導(dǎo)致該方式不能應(yīng)用于孤島運(yùn)行模式，這就是孤島運(yùn)行模式下的控制方式和連接大電網(wǎng)運(yùn)行模式下不相同的主要原因。當(dāng)運(yùn)行模式改變時(shí)，控制方式也需要隨之改變。如果在運(yùn)行模式改變時(shí)，控制方式不需要改變那將是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)[3]。

另外，負(fù)荷增加時(shí)負(fù)載電壓v0會(huì)下降，根據(jù)式(6)的下垂控制策略電壓也會(huì)下降。參數(shù)ni越小，電壓下降得越少。然而參數(shù)ni需要足夠大來(lái)滿足反應(yīng)的速度，為了確保電壓穩(wěn)定在一個(gè)確定的范圍之內(nèi)，負(fù)載電壓下垂E*-V0需要通過(guò)某種方式反饋回來(lái)。根據(jù)下垂理論的基本規(guī)律可以給ΔEi添加一個(gè)放大器Ke，該方式如圖3所示。

圖3　魯棒下垂控制器結(jié)構(gòu)

該控制方式可以減少或消除計(jì)算誤差、噪聲和干擾。對(duì)圖3進(jìn)行分析，該控制方式可以維持功率按比例精確分配，同時(shí)還可以加強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，抑制參數(shù)漂移、元件不匹配和干擾等問(wèn)題。

在穩(wěn)定的系統(tǒng)中，積分環(huán)節(jié)的輸入應(yīng)該為0，因此：

niPi=Ke(E*-V0).

(13)

式(13)右邊在所有并聯(lián)運(yùn)行的逆變器選取相同的參數(shù)Ke的情況下，可以很容易相等。因此:

niPi=C.

(14)

其中：C為常數(shù)。

這可以保證有功功率的精確分配，并且不需要相同的ΔEi。同理，無(wú)功功率也可采用同樣的策略實(shí)現(xiàn)精確分配。

2.2　魯棒下垂控制器參數(shù)設(shè)置

下垂控制環(huán)節(jié)中，本文在傳統(tǒng)下垂控制的基礎(chǔ)上增加了功率給定，逆變器接入大電網(wǎng)運(yùn)行是可以根據(jù)給定值向大電網(wǎng)輸出有功、無(wú)功功率的，從本質(zhì)上來(lái)講本文采用的是改進(jìn)的下垂控制策略，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

f=fn+m(Pn-P).

(15)

U=U0-nQ.

(16)

其中：f為逆變器輸出電壓的頻率；fn為大電網(wǎng)電壓頻率(通常為50 Hz)；m為P-ω下垂系數(shù)；n為Q-U下垂系數(shù)；P和Q分別為逆變器輸出有功功率和無(wú)功功率的實(shí)際測(cè)量值；Pn為逆變器在額定頻率下輸出的有功功率；U0為逆變器輸出無(wú)功功率為零情況下的輸出電壓的幅值。有功下垂系數(shù)m、無(wú)功下垂系數(shù)n可由下式求得:

(17)

(18)

其中：Pmax為逆變器頻率下降時(shí)允許輸出的最大有功功率；Qmax為逆變器在電壓幅值下降時(shí)允許輸出的最大無(wú)功功率；Umin為逆變器輸出無(wú)功功率最大時(shí)相應(yīng)的最小電壓幅值；fmin為逆變器輸出有功功率最大時(shí)相應(yīng)的最小頻率。

另外，根據(jù)電力系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定，電壓頻率波動(dòng)不超過(guò)±1%,電壓幅值波動(dòng)不超過(guò)±5%。這兩個(gè)條件在具體的參數(shù)計(jì)算中需要考慮[4]。

理論上要求補(bǔ)償系數(shù)Ke>1[5]，但是考慮到補(bǔ)償系數(shù)Ke過(guò)大導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)慢，本文中取Ke=5。

3　仿真驗(yàn)證

在MATLAB/Simulink 中搭建了兩臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，逆變器1和逆變器2的容量分別為10 kVA和20 kVA；線路阻抗分別為(0.03+j1×10-3) Ω和(0.01+j2×10-3) Ω，負(fù)載有功功率15 kW，無(wú)功功率7.5 kVar，仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

從圖4和圖5中可以看出：逆變器1輸出的有功功率為5 kW,無(wú)功功率為2.5 kVar；逆變器2輸出的有功功率為10 kW，無(wú)功功率為5 kVar。表明有功功率和無(wú)功功率能夠按照其容量實(shí)現(xiàn)合理分配。

4　總結(jié)

針對(duì)傳統(tǒng)下垂控制策略的局限性，本文提出了魯棒下垂控制策略，對(duì)魯棒下垂控制策略的原理、參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析介紹，并在MATLAB/Simulink軟件上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了魯棒下垂控制的明顯優(yōu)勢(shì)。仿真結(jié)果也表明當(dāng)逆變器容量不相同、線路阻抗不相同時(shí)，有功/無(wú)功功率也能夠?qū)崿F(xiàn)合理的分配，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)下垂控制的缺陷。

參考文獻(xiàn)：

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