基于虛擬阻抗的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)柔性功率調(diào)控策略

王 林

基于虛擬阻抗的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)柔性功率調(diào)控策略

王 林

（海裝駐武漢第二代表室，武漢 430060）

下垂控制作為無(wú)互聯(lián)線的并聯(lián)系統(tǒng)功率環(huán)控制技術(shù)，在逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。但是，對(duì)于傳統(tǒng)的基于感性或阻性阻抗的下垂控制，各逆變器輸出阻抗之間的差異會(huì)對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)精度造成較大影響。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種基于虛擬阻抗的柔性功率調(diào)控策略，在實(shí)現(xiàn)逆變器輸出功率解耦的情況下改善并聯(lián)系統(tǒng)的功率分配精度，提高下垂控制的魯棒性和控制性能。最后，通過(guò)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)驗(yàn)證了所提方案的有效性。

下垂控制 功率耦合 虛擬阻抗 功率分配

0 引言

對(duì)于逆變器并聯(lián)系統(tǒng)而言，由于各逆變器連接線路的長(zhǎng)度不同，以及逆變器間元器件參數(shù)的不一致，各逆變器的輸出阻抗不可避免的會(huì)存在差異，且一般呈阻感性，這將會(huì)影響并聯(lián)系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)精度，甚至損害系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，針對(duì)各逆變器輸出阻抗之間的差異，研究改善逆變器并聯(lián)系統(tǒng)功率分配的功率調(diào)控策略顯得尤為重要[1]。

目前，當(dāng)線路阻抗呈現(xiàn)阻感性時(shí)，逆變器并聯(lián)系統(tǒng)功率耦合問(wèn)題的解決方案主要分為以下四類：虛擬功率法，虛擬電壓頻率法，電壓前饋補(bǔ)償法和虛擬阻抗法。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于虛擬功率的改進(jìn)下垂控制策略，通過(guò)旋轉(zhuǎn)實(shí)際功率矢量得到僅與端電壓頻率相關(guān)的虛擬有功功率和僅與端電壓幅值相關(guān)的虛擬無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于統(tǒng)一功率旋轉(zhuǎn)角的改進(jìn)虛擬功率法，通過(guò)旋轉(zhuǎn)同一阻抗角來(lái)解決傳統(tǒng)虛擬功率法中線路阻抗角不一致造成的有功功率和無(wú)功功率分配誤差問(wèn)題，但該方案無(wú)法做到完全解耦，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度仍然較低。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于虛擬頻率和電壓的解耦策略，其本質(zhì)類似于虛擬功率法，將頻率和電壓轉(zhuǎn)換為虛擬幀，來(lái)間接實(shí)現(xiàn)功率的解耦控制。文獻(xiàn)[5]采用了虛擬阻抗法來(lái)實(shí)現(xiàn)直接解耦，通過(guò)加入虛擬電感來(lái)補(bǔ)償線路阻抗，保障線路阻抗近似呈現(xiàn)感性。

針對(duì)線路阻抗不匹配造成的功率耦合和功率分配誤差問(wèn)題，本文基于傳統(tǒng)虛擬阻抗法，在下垂控制系統(tǒng)中引入虛擬負(fù)電感來(lái)補(bǔ)償線路阻抗中的感性成分來(lái)實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率解耦。在此基礎(chǔ)上，在逆變器的控制系統(tǒng)中引入虛擬阻抗來(lái)平衡逆變器的輸出阻抗和線路阻抗，從而減小各逆變器之間的差異，實(shí)現(xiàn)較好的功率分配效果，并加入二次控制補(bǔ)償電壓跌落。

2 下垂控制的基本原理

圖1所示為逆變器單元的等效電路圖。其中，∠為變換器端輸出電壓，U∠0為PCC點(diǎn)電壓，∠為變換器單元到PCC點(diǎn)的線路阻抗，和表示逆變器輸出有功功率和無(wú)功功率。

圖1 逆變器單元等效電路

根據(jù)圖1，逆變器的輸出有功功率和無(wú)功功率可以近似化簡(jiǎn)為

式中，E、w分別為逆變器空載輸出電壓幅值和角頻率指令值；k、k為有功功率和無(wú)功功率的下垂系數(shù)；、分別為逆變器輸出有功功率和無(wú)功功率；、為逆變器指令電壓的幅值和角頻率。

3 基于虛擬阻抗的功率解耦策略

由于下垂控制系統(tǒng)的輸出功率耦合現(xiàn)象主要由線路阻抗的阻感特性引起，因此，可以通過(guò)添加虛擬電感來(lái)補(bǔ)償線路阻抗，使得線路阻抗近似呈阻性，來(lái)實(shí)現(xiàn)有功功率與無(wú)功功率的解耦。通常來(lái)說(shuō)，逆變器的電壓、電流雙環(huán)控制器的帶寬相對(duì)工頻較高，因此如果需要完全補(bǔ)償線路阻抗中的感性成分，則應(yīng)引入虛擬負(fù)電感來(lái)補(bǔ)償線路阻抗中的感性成分來(lái)實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率解耦。

4 逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的柔性功率調(diào)控策略

由于各逆變器輸出阻抗之間的差異，下垂控制存在功率分配精度和輸出電壓精度之間的矛盾。為了保障功率分配精度，需要引入較大的虛擬阻抗。但是，較大的虛擬阻抗會(huì)導(dǎo)致輸出電壓有較大跌落。因此，為了減小下垂控制和虛擬阻抗對(duì)輸出電壓精度的影響，需要補(bǔ)償輸出電壓的幅值和頻率。

考慮到逆變器并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓精度和頻率精度均和輸出功率有關(guān)，因此，可以根據(jù)并聯(lián)系統(tǒng)總的輸出有功功率和無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)輸出電壓和頻率的二次控制。

其中，P、Q為逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的輸出有功功率和無(wú)功功率；k、k為有功功率和無(wú)功功率的補(bǔ)償系數(shù)。

5 調(diào)控策略驗(yàn)證與結(jié)果分析

通過(guò)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證所提方案的有效性和可行性，每臺(tái)逆變器額定容量為10 kVA，通過(guò)CAN通信傳送各逆變器的輸出功率信息。各逆變器的線路阻抗為：逆變器1的連線阻抗Z1= 0.03+j0.01 Ω，逆變器2的連線阻抗Z2= 0.01+j0.02 Ω，逆變器3的連線阻抗Z3= 0.02+j0.01 Ω。其他電路參數(shù)如表1所示。由于各逆變器的輸出線路阻抗均有較大的感性成分，因此，以感性成分較大的逆變器2為例，驗(yàn)證本文所提控制策略的有效性。

表1 三相逆變器電路參數(shù)

先將逆變器2并網(wǎng)運(yùn)行，并在給定時(shí)刻提供1kW的有功功率階躍。定義=|Δ/ΔP|為逆變器輸出無(wú)功功率與有功功率的耦合系數(shù)，當(dāng)采用傳統(tǒng)下垂控制時(shí)，=49%，無(wú)功功率與有功功率存在較強(qiáng)耦合。同樣設(shè)定ΔP=1 kW，ΔQ=0 Var。圖3(a)和3(b)為采用基于虛擬阻抗的下垂控制下逆變器的輸出有功功率和無(wú)功功率曲線。如圖中所示，當(dāng)基于虛擬阻抗的下垂控制啟動(dòng)后，無(wú)功功率Δ=-95Var，=9.5%。因此，該策略可以有效實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率與有功功率的解耦。

圖4、圖5為采用相同的硬件參數(shù)下，逆變器控制中不加入虛擬阻抗和加入虛擬阻抗時(shí)三臺(tái)逆變器的輸出有功功率和無(wú)功功率曲線。從圖中可以看出，在不加入虛擬阻抗時(shí)，由于逆變器參數(shù)的差異，并聯(lián)模塊的有功功率無(wú)法實(shí)現(xiàn)均分，并且誤差隨著負(fù)載功率增大而增大，誤差功率接近平均功率的20%左右；在引入虛擬阻抗和電壓幅值、頻率二次控制之后，如圖5所示，此時(shí)各逆變器輸出輸出阻抗基本一致，輸出功率也接近相同，各逆變器模塊之間能夠?qū)崿F(xiàn)功率均分，驗(yàn)證了本文所提出的并聯(lián)控制策略的有效性。

圖3 基于虛擬阻抗的下垂控制輸出有功功率及無(wú)功功率曲線

圖4 無(wú)虛擬阻抗下并聯(lián)系統(tǒng)各逆變器輸出的有功功率和無(wú)功功率

圖5 有虛擬阻抗下并聯(lián)系統(tǒng)各逆變器輸出的有功功率和無(wú)功功率

6 結(jié)論

本文針對(duì)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)，分析了三相逆變器的輸出阻抗特性，引入虛擬阻抗實(shí)現(xiàn)了逆變器輸出功率的解耦，提高了下垂控制的控制精度。在此基礎(chǔ)上，提出了基于虛擬阻抗和電壓幅值、頻率二次控制的混合控制策略，以降低各逆變器間輸出阻抗的不平衡度，提高并聯(lián)系統(tǒng)功率分配特性和電能質(zhì)量。最后通過(guò)三臺(tái)逆變器組成的并聯(lián)系統(tǒng)驗(yàn)證了所提控制策略的可行性與有效性。

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Flexible Power Control Strategy for Parallel Inverters Based on Virtual Impedance

Wang Lin

（The Second Naval Representatives Office in Wuhan, Wuhan 430060, China）

TM464

A

1003-4862（2021）06-0026-03

2021-03-18

王林（1979-），男，碩士，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化。E-mail: 754515422@qq.com