光伏微網(wǎng)并網(wǎng)逆變器下垂控制策略改進研究

韓 慶，施偉鋒

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光伏微網(wǎng)并網(wǎng)逆變器下垂控制策略改進研究

韓 慶，施偉鋒

（上海海事大學物流工程學院，上海 201306）

傳統(tǒng)下垂控制策略廣泛應用于光伏微網(wǎng)并網(wǎng)逆變器控制，但是沒有考慮在低壓微網(wǎng)系統(tǒng)中由于線路阻抗比較大引起的功率耦合問題，以及多個微電源供電時系統(tǒng)功率分配不均衡問題。針對這些問題，本文在傳統(tǒng)下垂控制基礎上，應用坐標變換對有功功率與無功功率進行耦合控制，又通過在電壓電流環(huán)之中加入虛擬動態(tài)阻抗環(huán)，提出一種基于電壓-電流-阻抗三環(huán)控制的光伏微網(wǎng)并網(wǎng)逆變器控制策略。該策略隨電壓電流的波動而改變虛擬阻抗值，合理分配系統(tǒng)的有功和無功功率，在系統(tǒng)穩(wěn)定時自動切除虛擬動態(tài)阻抗，減小系統(tǒng)的功率環(huán)流和線路的損耗，同時限制系統(tǒng)的電壓降落，提高電網(wǎng)的電能質量。最后，仿真實驗驗證該改進控制策略的有效性和可行性。

光伏微網(wǎng) 下垂控制 虛擬動態(tài)電阻 功率分配 并網(wǎng)逆變器

0 引言

隨著全球能源危機的日益加重，環(huán)境污染問題日漸突出，作為應對措施之一，新能源發(fā)電技術在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中得到廣泛應用，由不同分布式電源組成的微網(wǎng)系統(tǒng)的研究被國內(nèi)外專家學者廣泛的關注[1]。微網(wǎng)是由分布式電源、負載、儲能裝置、能量轉換裝置、監(jiān)控和保護等裝置組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。目前，如何提高微網(wǎng)并網(wǎng)運行功率平穩(wěn)性和并網(wǎng)的快速性成為微網(wǎng)研究的熱點問題之一[2]。

下垂控制是實現(xiàn)多個微電源并網(wǎng)供電的主要控制策略，由于只需要檢測逆變器的運行情況，無需逆變器之間的通訊聯(lián)系[3]，所以下垂控制策略被廣泛應用于并網(wǎng)逆變器的對等控制中。微網(wǎng)線路較短與線路電壓等級較低的特點決定了其感抗與電阻為同一數(shù)量級，無法與長距離輸電線路一樣作等效處理，傳統(tǒng)的下垂控制在微網(wǎng)系統(tǒng)中直接應用有功功率與無功功率控制，這必然會引起有功功率與無功功率之間的耦合問題，從而導致微網(wǎng)系統(tǒng)運行的不平穩(wěn)以及不同微電源之間有功功率與無功功率分配不平衡的問題[4]。文獻[5]是基于虛擬同步發(fā)電機思想的微網(wǎng)逆變器電源控制策略研究，實現(xiàn)了微網(wǎng)并離網(wǎng)的無差控制，但是該控制策略的建模過程需要運用電機的轉子運動方程和電機的機械方程，這樣使得建模過程復雜，不利于快速實現(xiàn)。文獻[6]提出虛擬頻率—電壓下垂控制方法，這樣可以實現(xiàn)低壓微網(wǎng)功率的合理控制，但是其控制方法較為復雜，虛擬值的設定存在一定的技巧性，在實際工程中難以復現(xiàn)。文獻[7]提出了P-f、Q-V下垂控制，但是該方法只適用于線路電壓等級較高的系統(tǒng)，現(xiàn)行分布式微網(wǎng)系統(tǒng)一般不滿足這樣的條件。文獻[8]采用了增設虛擬阻抗的方式，在逆變器輸出端口到公共并網(wǎng)節(jié)點之間增加虛擬電感值，使線路呈現(xiàn)電感特性，以此來解決功率耦合的問題，但是要實現(xiàn)該控制策略最好的辦法是增加大數(shù)量級的電感，而這樣將導致系統(tǒng)的電能質量下降，同時帶來諧波次數(shù)增多、諧波強度增大的問題。文獻[9]提出了通過設計逆變器參數(shù)來實現(xiàn)逆變器輸出端口等效為電感特性的方法，但該方法在一定程度上受電壓、電流控制器參數(shù)的限制。文獻[10]提出了虛擬負阻抗的概念，即根據(jù)低壓線路的特性對線路參數(shù)進行等效阻抗設計，以實現(xiàn)逆變器并網(wǎng)運行條件下的功率均衡控制，此方法有效避免了因線路阻抗特性帶來的功率分配不平衡問題，但是在響應時間快速的同時系統(tǒng)波動性增大，在系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時，仍然存在阻抗引起的不同微源逆變器之間的功率環(huán)流問題。

本文針對上述問題，采用三環(huán)控制方法，在低壓微網(wǎng)三相逆變器的下垂控制策略中引入虛擬動態(tài)阻抗，應用線路阻抗參數(shù)對功率進行坐標變換，耦合后分別對電壓、電流進行控制，同時在內(nèi)外環(huán)控制之間加入虛擬阻抗，來降低電壓電流的波動，實現(xiàn)系統(tǒng)功率的平衡分配，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 傳統(tǒng)下垂控制策略

由電機學原理得到同步發(fā)電機的有功功率和無功功率方程為式(1)和(2)所示：

各逆變器單元檢測到輸出功率，通過下垂特性得到輸出電壓頻率和幅值的指令值，然后反饋微調各自電壓的頻率和幅值以達到系統(tǒng)所需要的有功功率與無功功率的分配值。

2 功率耦合下垂控制策略

圖1逆變器功率傳輸示意圖

由圖1所示逆變器傳輸?shù)刃疽鈭D可以得出，逆變器輸出的無功功率及有功功率可以改寫為:

將式(5)和(6)代入式(3)和(4)得：

由式(7)和(8)得角度與幅值的表達式：

由上述公式及原理可以推導出在低壓有阻抗的微網(wǎng)系統(tǒng)下的下垂控制表達式：

圖2 PQ-fU下垂控制框圖

上述功率耦合控制考慮了低壓微網(wǎng)輸電線路阻感比較大的特性，該改進策略可以自動跟蹤功率參考值，可以實現(xiàn)對低壓微網(wǎng)系統(tǒng)電能質量的有效控制，相對于傳統(tǒng)的下垂控制策略，它降低了線路參數(shù)的敏感性，以維持逆變器輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。

3阻抗-電壓-電流三環(huán)改進下垂控制策略

圖3 改進下垂三環(huán)控制框圖

3.1 電壓電流雙閉環(huán)設計

微網(wǎng)逆變器表現(xiàn)為電壓源特性，為整個微網(wǎng)系統(tǒng)提供電壓和頻率支持，可以通過控制虛擬阻抗值來實現(xiàn)負荷功率在并網(wǎng)系統(tǒng)中的合理分配。

本文采用電壓電流雙閉環(huán)控制，在電壓環(huán)與電流環(huán)之間加入求解線路阻抗的反饋控制環(huán)節(jié)，如圖4所示。

圖4 電壓電流雙環(huán)控制原理圖

通過圖4電壓電流雙閉環(huán)控制的模型可以得到：

由上述公式，在低壓微網(wǎng)中考慮線路的阻感特性推導可得：

3.2 虛擬動態(tài)阻抗設計

虛擬阻抗可以保證每個微網(wǎng)電源的輸出功率均衡化，這是實現(xiàn)下垂控制策略的必要條件，其它的改進下垂控制策略的虛擬阻抗為靜態(tài)值，本文提出的是動態(tài)虛擬阻抗方法。在多個微電源系統(tǒng)中，有功功率分配關系如圖5所示，功率調節(jié)最終到達C點。

圖5 虛擬動態(tài)電阻下兩個微電源功率分配圖

應用圖3的控制方式增加虛擬阻抗時，得：

通過式(15)和(16)可得出輸出電壓：

引入基于等效輸出阻抗光伏微網(wǎng)逆變器模型如圖6所示。

圖6基于等效輸出阻抗的逆變器模型結構圖

由圖6可得逆變器輸出的等效阻抗值：

考慮到微網(wǎng)系統(tǒng)在不同運行模式下其線路參數(shù)是不確定的，虛擬阻抗值不能準確獲得，故而引入動態(tài)虛擬阻抗值。其表達式為：

在系統(tǒng)調節(jié)過程中，電流隨時間變化，引起阻抗值的變化。式(18)和(20)聯(lián)立求解得出輸出電壓與動態(tài)阻抗值的關系式：

引入動態(tài)虛擬阻抗值逆變器輸出阻抗值為：

當系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時，動態(tài)虛擬阻抗值也趨于穩(wěn)定。電壓環(huán)采用比例積分負反饋控制；電流環(huán)采用比例反饋控制。在系統(tǒng)額定頻率運行時，逆變器的輸出阻抗為電阻特性。此外，由于引入系統(tǒng)負反饋調節(jié)，克服了傳統(tǒng)下垂控制中下垂系數(shù)和線路阻抗對電壓降的影響。

4 仿真驗證

4.1系統(tǒng)仿真設計

為了驗證該改進三環(huán)下垂控制策略的有效性，在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下搭建仿真模型，模型包括光伏與蓄電池兩個微電源。應用66片光伏電池板模擬小區(qū)微網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)最大功率設計為100 kW；應用理想直流電壓源來模擬蓄電池，其直流電壓為800 V，不考慮其充放電控制策略問題，大電網(wǎng)側為25 kV區(qū)域電網(wǎng)結構。其各參數(shù)值如表1所示。

4.2 仿真結果和分析

圖7所示為引入的動態(tài)虛擬阻抗值，從圖中可以看出，在微網(wǎng)剛接入大電網(wǎng)時，由于線路阻抗比較大的原因，虛擬阻抗值較大，如圖8局部圖像所示。系統(tǒng)平穩(wěn)時，動態(tài)阻抗值會隨著降低直至全部切除，保證了系統(tǒng)功率的平衡分配。

圖7 虛擬阻抗值

圖8虛擬阻抗局部圖像

圖9 微網(wǎng)電壓頻率

圖10 網(wǎng)側電壓頻率

圖11和圖12所示為系統(tǒng)電網(wǎng)側的電壓電流，從仿真圖可以得出，系統(tǒng)的電壓基本保持不變，在系統(tǒng)調節(jié)過程中，系統(tǒng)的電流發(fā)生震蕩，虛擬電阻正是通過電流的影響來實現(xiàn)動態(tài)變化。

圖11 大電網(wǎng)電壓

圖12 大電網(wǎng)電流

圖13和圖14分別為光伏電源提供的功率和蓄電池提供的功率。動態(tài)虛擬電阻的加入使系統(tǒng)的功率分配更加平衡，系統(tǒng)穩(wěn)定時，各個電源提供的功率基本保持不變。其中無功功率主要來源是蓄電池提供，如圖15所示。由于動態(tài)虛擬阻抗的加入，解決了不同微源之間功率環(huán)流問題，抑制了線路的損耗。

圖13 光伏電源輸出的有功功率

圖14 蓄電池提供的有功功率

圖15 蓄電池提供的無功功率

5 結語

本文通過對傳統(tǒng)下垂控制策略的分析，在有功功率和無功功率耦合控制的基礎上，設計了微網(wǎng)線路增設虛擬動態(tài)阻抗的電壓-電流-阻抗三環(huán)控制方法。在系統(tǒng)穩(wěn)定時，虛擬動態(tài)阻抗值趨于恒定，系統(tǒng)功率分配更加均衡，系統(tǒng)頻率電壓電流更加穩(wěn)定，并網(wǎng)運行時，光伏微網(wǎng)對大電網(wǎng)的沖擊作用減弱。仿真結果驗證了本文的改進策略具有有效性和可行性。

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Improvement of Droop Control Strategy for Photovoltaic Grid Connected Inverter

Han Qing, Shi Weifeng

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM727

A

1003-4862（2018）05-0047-06

2018-02-15

韓慶(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。