微網(wǎng)逆變器并聯(lián)自適應(yīng)下垂控制技術(shù)

陶泉霖 曹以龍 江友華

摘 要：微網(wǎng)中使用下垂控制可實(shí)現(xiàn)逆變器在并聯(lián)時(shí)負(fù)載功率得到合理地分配，而傳統(tǒng)下垂控制不能合理分配無功功率且存在環(huán)流影響系統(tǒng)電能質(zhì)量的缺陷，所以本文提出了一種自適應(yīng)下垂控制策略。通過引入虛擬阻抗，本文采用自適應(yīng)的控制策略對(duì)下垂控制進(jìn)行修正，在模擬分流線路阻抗一致的前提下引用合理獲取的下垂參數(shù)，達(dá)到控制目的。該策略不僅提高了無功功率分配的精度，而且有效減小了系統(tǒng)間的環(huán)流，提升了電能質(zhì)量。仿真并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)逆變器；下垂控制；虛擬阻抗；自適應(yīng)控制；功率分配

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.124

0 引言

目前，以太陽能、風(fēng)能等新能源作為代表的可再生能源在資源匱乏和環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重的情況下受到越來越多的關(guān)注。微電網(wǎng)系統(tǒng)作為由可再生能源、負(fù)載和儲(chǔ)能裝置構(gòu)成的低壓配電系統(tǒng)可以有機(jī)的將各種新能源產(chǎn)生的電能作為輸出用電或者發(fā)送到電網(wǎng)上。微電網(wǎng)通常存在并網(wǎng)或者孤島運(yùn)行兩種模式，其中的微電源一般是通過逆變器并聯(lián)構(gòu)成交流電網(wǎng)。合理地對(duì)逆變器進(jìn)行控制可以保證微電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。下垂控制（Droop Control）是微電網(wǎng)逆變器并聯(lián)中較為常用的控制方式，其主要通過模擬常規(guī)電網(wǎng)中同步發(fā)電機(jī)的下垂外特性實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的合理分配。該方法可以有效分配各分布式單元的電能，在負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)也能滿足其需求使系統(tǒng)自身平衡，做到了“即插即用”。逆變器并聯(lián)是采用下垂控制提高了微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制靈活性和穩(wěn)定性，但是由于傳統(tǒng)下垂控制策略的固有缺陷，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能極大程度上取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的濾波器性能與輸出阻抗，同時(shí)還受下垂系數(shù)的影響。而負(fù)載端的有功功率是由輸出電壓頻率、輸出電壓的幅值以及輸出功率決定的。所以在逆變器并聯(lián)時(shí)使用傳統(tǒng)下垂控制作為控制策略的時(shí)候，逆變器的動(dòng)態(tài)性能并不是獨(dú)立受控的。

本文在引入虛擬阻抗的基礎(chǔ)上，提出了一種采用自適應(yīng)方案改進(jìn)下垂控制的方法，該控制結(jié)構(gòu)可以合理均分有功功率，減小被分配無功功率間誤差，以及有效降低系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)流。

1 傳統(tǒng)下垂控制

1.1 傳統(tǒng)下垂控制原理分析

傳統(tǒng)下垂控制通過模擬常規(guī)電網(wǎng)系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)的下垂外特性，根據(jù)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓頻率與發(fā)出有功功率、電壓幅值與輸出無功功率間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的頻率與幅值調(diào)整。采用兩臺(tái)R型逆變電源構(gòu)成并聯(lián)運(yùn)行，其并聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖1所示[1-3]。

其中Ei∠δi、E2∠δ2 表示逆變器i輸出端電壓，δi是逆變器i端電壓和公共連接點(diǎn)處的相角差，線路的電阻和電感組等效為Roi，Si、Pi和Qi分別表示負(fù)載端的視在、有功和無功功率。

文獻(xiàn)[6]已經(jīng)證明了通過對(duì)逆變電源虛擬輸出電壓Ei的頻率和幅值的控制可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出功率Pi、Qi的可行性。但使用虛擬阻抗后，因線路阻抗差異導(dǎo)致的輸出無功功率的均分問題仍未得到改善，且目前引入虛擬阻抗的技術(shù)都或多或少地使系統(tǒng)等效輸出阻抗增加，加重了母線電壓降落，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的供電電壓質(zhì)量降低。

2 自適應(yīng)的下垂控制

通過前文推導(dǎo)可知，采用傳統(tǒng)下垂控制時(shí)，若系統(tǒng)的負(fù)載增加，則系統(tǒng)電壓會(huì)出現(xiàn)下降。而在系統(tǒng)中加入虛擬阻抗會(huì)導(dǎo)致電壓的再次降低，這大大影響了系統(tǒng)的供電質(zhì)量。而如果采用較小的下垂系數(shù)，雖然電壓下降幅度減小，保證了一定的供電質(zhì)量，但是小系數(shù)將會(huì)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，也可能影響到其穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。為保證系統(tǒng)電壓降落可維持在系統(tǒng)可接受能力內(nèi)，同時(shí)解決輸出無功功率的均分問題，本文在虛擬阻抗的基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)控制對(duì)下垂控制進(jìn)行修正。該方案在穩(wěn)定功率均分的性能的基礎(chǔ)上，可以產(chǎn)生系統(tǒng)需要的瞬態(tài)響應(yīng)性能從而達(dá)到減小在不同操作條件下系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)流。

自適應(yīng)下垂控制的實(shí)現(xiàn)對(duì)功率分配控制的基本原理如圖3所示。通過計(jì)算輸出無功功率Q值與參考無功Qref間的差額作為附加值來設(shè)定期望的電壓幅值。

當(dāng)Q>Qref時(shí)，電壓振幅分別從第10行和第20行調(diào)節(jié)至第11行和第21行。取出無功功率最大值Qmax，并從電壓振幅中減去一個(gè)常數(shù)值nadd（Qmax-Qref）。因此，當(dāng)Q再次低于Qref時(shí)，電壓振幅不會(huì)恢復(fù)到第10行和第20行，而是回到第12行和第22行。這種現(xiàn)象可以用公式（8）來表示。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

利用MATLAB/Simulink搭建了仿真模型，仿真系統(tǒng)見圖6。選取了下垂系數(shù)為：，。

仿真過程為：逆變器1先帶6kW+4kVar負(fù)載啟動(dòng)，用來支撐母線電壓，逆變器2則是帶空載啟動(dòng)，在0.3s時(shí)將相同負(fù)載接入逆變器2所在線路。圖7為傳統(tǒng)下垂逆變器并聯(lián)過程中的功率分配及系統(tǒng)間環(huán)流情況。圖8為在相同負(fù)載條件下自適應(yīng)下垂控制策略控制逆變器并聯(lián)過程中的功率分配及系統(tǒng)間環(huán)流情況。采用傳統(tǒng)的下垂策略控制逆變器時(shí)，可見在0.3s到0.5s時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了均分有功功率。但是達(dá)到穩(wěn)定之后的逆變器無功功率誤差為700Var，且系統(tǒng)存在幅值為1.9A的環(huán)流。而使用自適應(yīng)下垂控制策略控制逆變器并聯(lián)不僅在0.3s到0.5s時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了均分有功功率，在達(dá)到穩(wěn)定之后無功功率誤差減少到了250Var，兩臺(tái)逆變器之間的無功環(huán)流幅值減小到0.75A。由此仿真驗(yàn)證了本文提出的自適應(yīng)下垂控制能夠起到提高功率分配精度并減少系統(tǒng)環(huán)流的作用。

實(shí)驗(yàn)室選取與仿真時(shí)相同的參數(shù)帶4.5kW阻性負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)波形進(jìn)行分析。圖9（a）為在并聯(lián)的兩臺(tái)逆變器使用傳統(tǒng)下垂控制的瞬時(shí)及穩(wěn)態(tài)時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形圖。圖9（b）為在給出了相同負(fù)載條件下，在兩臺(tái)逆變器并聯(lián)基于時(shí)使用自適應(yīng)下垂控制的瞬時(shí)及穩(wěn)態(tài)時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形圖。由圖9（a）和圖9（b）對(duì)比可得：并聯(lián)瞬間，紅色1通道即兩臺(tái)逆變器間的環(huán)流在使用傳統(tǒng)下垂控制時(shí)減小，系統(tǒng)穩(wěn)定之后，環(huán)流幅值穩(wěn)定為2A；使用自適應(yīng)下垂控制時(shí)環(huán)流快速減小，系統(tǒng)穩(wěn)定之后，環(huán)流幅值降至0.5A。且系統(tǒng)穩(wěn)定之后，傳統(tǒng)下垂控制下，紫色3通道代表的逆變器1的輸出電流與綠色4通道代表的逆變器2輸出電流可以看出明顯相位差，藍(lán)色2通道代表的環(huán)流與逆變器輸出電壓相位角相差約90°，此現(xiàn)象說明此時(shí)的功率環(huán)流的主要成分為無功環(huán)流。然而在自適應(yīng)下垂控制下，逆變器1與逆變器2間的輸出電流已基本重合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相一致，因此在帶4.5kW阻性負(fù)載的條件下，改進(jìn)型下垂控制能夠有效地提高系統(tǒng)整體的均分精度（主要是無功功率分配），并且較大限度地抑制功率環(huán)流。

4 結(jié)論

（1）本文簡要闡述了下垂控制基本原理，并針對(duì)現(xiàn)有的基于下垂控制的微電網(wǎng)系統(tǒng)普遍存在的功率環(huán)流問題，基于下垂控制的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行了建模分析仿真與實(shí)驗(yàn)證實(shí)了本文提出的自適應(yīng)下垂控制策略可以有效地進(jìn)行功率均分，同時(shí)相對(duì)于傳統(tǒng)下垂控制提高了無功功率分配的精度，還減少了系統(tǒng)間環(huán)流提升了電能質(zhì)量。

（2）由于實(shí)驗(yàn)條件限制，只進(jìn)行了帶阻性負(fù)載的系統(tǒng)情況下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有些許片面。且本文使用的改進(jìn)下垂控制策略只能削弱系統(tǒng)內(nèi)的環(huán)流，而不能完全消除，因此，控制策略方面還有改進(jìn)的空間。因此，本文取得的成果與結(jié)論還存在一些不足。

（3）本文所研究的并聯(lián)系統(tǒng)只存在兩臺(tái)逆變器，在后續(xù)的研究中可以增加逆變器的個(gè)數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證下垂控制策略的性能。

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