智能微網(wǎng)中平衡負(fù)載下逆變器并聯(lián)控制研究

劉牮 馬文良

摘 要：傳統(tǒng)下垂控制沒有考慮本地負(fù)荷和并聯(lián)逆變器間線路阻抗等因素，無功功率不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確分配，系統(tǒng)穩(wěn)定性也會(huì)隨之降低。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的合理分配，在微網(wǎng)系統(tǒng)傳統(tǒng)下垂控制算法基礎(chǔ)上，在電壓電流雙閉環(huán)控制中設(shè)計(jì)虛擬阻抗，以降低有功和無功耦合程度。然后針對(duì)低壓微電網(wǎng)中線路阻性成分較大的問題，設(shè)計(jì)虛擬負(fù)阻抗的下垂控制算法，從而進(jìn)一步降低了有功和無功耦合程度。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)下垂控制前后均可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率的合理分配。傳統(tǒng)下垂控制的無功功率無法合理分配，偏差達(dá)到了20%。加入虛擬阻抗控制算法后提高了無功功率分配精度，引入虛擬負(fù)阻抗的控制算法可使該精度進(jìn)一步提高。因此，相比傳統(tǒng)下垂控制，加入該控制算法后逆變器可以獲得更好的功率分配效果。

關(guān)鍵字：逆變器并聯(lián);下垂控制;虛擬阻抗;虛擬負(fù)阻抗;無功功率分配

DOI：10. 11907/rjdk. 191903 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）005-0159-05

0 引言

隨著能源的日益減少，為了解決能源問題，很多國(guó)家都開始探索與發(fā)展可再生能源[1]。近年來，將新能源與發(fā)電技術(shù)結(jié)合在一起的分布式發(fā)電應(yīng)運(yùn)而生，微電網(wǎng)逐漸成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)[2-4]。微網(wǎng)能否實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)狀態(tài)與孤島狀態(tài)的順利切換，取決于逆變器并聯(lián)控制方法是否可靠。因此，逆變器控制是否合理至關(guān)重要。下垂控制由于具有只需本地信息實(shí)現(xiàn)功率自動(dòng)分配、并離網(wǎng)切換時(shí)不需要改變控制策略等優(yōu)點(diǎn)，因此成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)[5-7]。但下垂控制作為微電網(wǎng)逆變器控制策略還存在著一些不合理之處，如無功功率均分效果會(huì)受到微電源線路阻抗影響，微電源線路阻抗大小與其分配得到的功率之間呈反比關(guān)系，以及線路阻抗不同會(huì)造成功率分配不均等問題，影響了電網(wǎng)性能[8-10]。文獻(xiàn)[11]-[13]采用將負(fù)荷通過逆變器容量比進(jìn)行分擔(dān)的控制策略，但這種控制策略僅靠本地信息無法準(zhǔn)確輸出逆變器電壓，因而無法很好地實(shí)現(xiàn)無功功率分配;文獻(xiàn)[14]-[16]中設(shè)計(jì)虛擬阻抗使得逆變器與公共耦合點(diǎn)間的阻抗更接近，提高了無功功率分配精度;文獻(xiàn)[17]-[18]引入虛擬復(fù)阻抗，使系統(tǒng)等效輸出阻抗呈阻性，但對(duì)功率分配精度的提高效果有限。

本文通過設(shè)計(jì)基于虛擬阻抗的下垂控制算法，改善了不含虛擬阻抗的下垂控制無功功率分配效果，再引入基于虛擬負(fù)阻抗的下垂控制算法，與只含虛擬電感的下垂控制方法相比，功率分配精度得到進(jìn)一步提高。與傳統(tǒng)下垂控制相比，彌補(bǔ)了其無功功率分配不合理的缺陷。

1 傳統(tǒng)下垂控制分析

[NPC]逆變器并聯(lián)等效模型如圖1所示。其中，[L1]、[L2]和[R1]、[R2]分別為連線電感與連線電阻，[U1∠φ1]和[U2∠φ2]分別為兩個(gè)逆變器的輸出電壓，母線交流電壓為[U∠0°]。

分析式（6）可知，如果要使逆變器間的功率為2∶1，逆變器間的等效輸出阻抗比應(yīng)該為1∶2。現(xiàn)實(shí)中受到外部環(huán)境等因素影響，逆變器要滿足等效阻抗的比例是很難的，傳統(tǒng)下垂控制的逆變器輸出無功偏差可達(dá)20%。

2 虛擬阻抗設(shè)計(jì)

加入虛擬阻抗后的電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框架如圖3所示。

在圖3中，電壓參考值[Uref]已給定，[U0]為逆變器輸出電壓，[i0]為逆變器輸出電流，[ku]為電容電壓回饋系數(shù)，[ki]為電感電流回饋系數(shù)，KPWM為逆變器增益。

選取合適的阻尼負(fù)電阻[Rv]，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)調(diào)整[Lv]的值。當(dāng)考慮功率解耦時(shí)，式（14）的虛擬電阻[R]遠(yuǎn)小于虛擬電感[X]。工頻[Tf]很小，可以忽略。[GInv（s）]為閉環(huán)傳遞函數(shù)，[ZInv（s）]為輸出阻抗傳遞函數(shù)，在工頻處閉環(huán)傳遞函數(shù)輸出值為1，阻抗傳遞函數(shù)輸出值為0，因此在工頻處可簡(jiǎn)化為：

4 仿真驗(yàn)證及分析

在MATLAB 2016b/Simulink上搭建逆變器并聯(lián)仿真模型，首先搭建容量相同的并聯(lián)運(yùn)行仿真模型，仿真主電路參數(shù)如表1所示。

當(dāng)線路阻抗呈阻性時(shí)，加入虛擬負(fù)阻抗的下垂控制與只含虛擬電感的下垂控制相比，進(jìn)一步降低了有功與無功耦合程度，功率均分和環(huán)流抑制效果得到了明顯改善。

搭建逆變器容量比為2∶1的并聯(lián)運(yùn)行仿真模型，主電路參數(shù)如表2所示。

由圖7中仿真波形可以明顯看出，當(dāng)線路阻抗呈阻性時(shí)，傳統(tǒng)下垂控制中有功與無功耦合嚴(yán)重。因頻率具有全局性，因此有功可以實(shí)現(xiàn)以2∶1比例合理分配，而無功功率無法實(shí)現(xiàn)合理分配。

由圖9可以看出，當(dāng)線路阻抗不一致時(shí)，加入虛擬負(fù)阻抗的下垂控制與含虛擬阻抗的下垂控制相比，無功功率分配精度進(jìn)一步提高。

5 結(jié)語

通過分析微網(wǎng)中兩臺(tái)三電平逆變器并聯(lián)系統(tǒng)，根據(jù)相同容量與不同容量的傳統(tǒng)下垂控制及改進(jìn)下垂控制仿真結(jié)果對(duì)比可以看出，使用傳統(tǒng)下垂控制會(huì)造成無功功率分配不良，偏差高達(dá)20%，而改進(jìn)后的下垂控制算法逐步提高了無功功率分配精度，進(jìn)而提高了輸出的電壓質(zhì)量。

通過對(duì)下垂控制算法的研究，對(duì)其在智能微網(wǎng)中的應(yīng)用有了更深的認(rèn)識(shí)。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，智能微網(wǎng)中的母線電壓會(huì)出現(xiàn)一定跌落，而母線電壓對(duì)輸出電壓的質(zhì)量穩(wěn)定也十分重要。虛擬阻抗的下垂控制算法會(huì)造成母線出現(xiàn)較大跌落，虛擬負(fù)阻抗的下垂控制算法雖然可以減小母線電壓的跌落，但并沒有完全將其消除，接下來應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化下垂控制算法，以消除母線電壓跌落對(duì)電能質(zhì)量的影響。

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