基于弱電網(wǎng)條件下提升逆變器穩(wěn)定性研究

江蘇省大豐中等專業(yè)學(xué)校 張 潔

隨著可再生能源及微電網(wǎng)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，逆變器穩(wěn)定性的重要性日益凸顯。然而，在弱電網(wǎng)條件下，逆變器穩(wěn)定性面臨諸多挑戰(zhàn)，如電壓波動(dòng)、諧波干擾等。本文旨在研究并解決以上問題，提升弱電網(wǎng)條件下逆變器的穩(wěn)定性。通過深入分析逆變器穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法，結(jié)合試驗(yàn)和仿真驗(yàn)證，旨在為實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和參考。本文將按照緒論、關(guān)鍵技術(shù)、實(shí)驗(yàn)與仿真、應(yīng)用與展望等結(jié)構(gòu)展開論述，幫助讀者全面了解逆變器穩(wěn)定性在弱電網(wǎng)條件下的關(guān)鍵挑戰(zhàn)及解決方案。最后，探討了以上技術(shù)在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、微電網(wǎng)系統(tǒng)和電力電子變換器等領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣。本研究為弱電網(wǎng)條件下逆變器穩(wěn)定性提供了理論指導(dǎo)和實(shí)踐參考。

1 提升逆變器穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 弱電網(wǎng)條件下逆變器穩(wěn)定性技術(shù)綜述

電網(wǎng)支持技術(shù)是提高逆變器在弱電網(wǎng)條件下穩(wěn)定性的重要手段，主要包括無(wú)功功率補(bǔ)償、電壓支持、頻率響應(yīng)等技術(shù)。無(wú)功功率補(bǔ)償通過調(diào)節(jié)逆變器輸出無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)控和改善電網(wǎng)穩(wěn)定性。電壓支持技術(shù)在電壓波動(dòng)時(shí)，通過控制逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓保持同步，維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。頻率響應(yīng)技術(shù)則通過調(diào)節(jié)逆變器輸出功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)頻率的調(diào)節(jié)和控制。

控制策略和優(yōu)化算法針對(duì)弱電網(wǎng)條件下的逆變器穩(wěn)定性問題，研究人員提出了多種控制策略和優(yōu)化算法。主要包括直接功率控制、電流環(huán)控制、滑模控制、模型預(yù)測(cè)控制等。這些控制策略和算法通過實(shí)時(shí)調(diào)整逆變器參數(shù)，使其在弱電網(wǎng)條件下保持穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，優(yōu)化算法如遺傳算法、粒子群優(yōu)化、模糊控制等可進(jìn)一步提高逆變器性能和穩(wěn)定性。

系統(tǒng)建模和仿真工具為了準(zhǔn)確地評(píng)估和優(yōu)化逆變器在弱電網(wǎng)條件下的穩(wěn)定性，建立合適的系統(tǒng)模型和采用有效的仿真工具至關(guān)重要。典型的系統(tǒng)建模方法包括小擾動(dòng)線性化、狀態(tài)空間法、等值電路法等。上述方法可幫助研究人員深入了解逆變器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，為控制策略的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。此外，仿真工具如MATLAB/Simulink、PSCAD/EMTDC等可用于模擬和分析逆變器在弱電網(wǎng)條件下的性能，輔助研究者驗(yàn)證所提出的控制策略和優(yōu)化算法的有效性。

1.2 動(dòng)態(tài)電壓支持技術(shù)

技術(shù)原理。動(dòng)態(tài)電壓支持技術(shù)（Dynamic Voltage Support,DVS）是一種在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，通過調(diào)整逆變器的輸出電壓來維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定性的方法。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)時(shí)，動(dòng)態(tài)電壓支持技術(shù)能夠使逆變器迅速響應(yīng)，通過調(diào)節(jié)輸出無(wú)功功率或有功功率，來對(duì)抗電壓波動(dòng)并維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓支持技術(shù)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)合適的控制策略。常見的實(shí)現(xiàn)方法包括：有功功率調(diào)節(jié)。根據(jù)電網(wǎng)電壓偏差，實(shí)時(shí)調(diào)整逆變器的有功功率輸出，以減小電壓波動(dòng)。這種方法需要對(duì)逆變器的有功功率進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地控制，以確保電網(wǎng)電壓穩(wěn)定；無(wú)功功率調(diào)節(jié)。通過調(diào)整逆變器的無(wú)功功率輸出，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓調(diào)控。該方法需要對(duì)逆變器的無(wú)功功率進(jìn)行精確控制，以便在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)提供恰當(dāng)?shù)臒o(wú)功支持；混合控制策略。結(jié)合有功功率調(diào)節(jié)和無(wú)功功率調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的動(dòng)態(tài)電壓支持。此方法可充分發(fā)揮有功和無(wú)功調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。

技術(shù)效果。動(dòng)態(tài)電壓支持技術(shù)在提高逆變器穩(wěn)定性方面具有顯著效果。通過實(shí)施動(dòng)態(tài)電壓支持技術(shù)，逆變器能夠在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)時(shí)迅速響應(yīng)，有效地減小電壓波動(dòng)幅度，維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，動(dòng)態(tài)電壓支持技術(shù)可提高逆變器在弱電網(wǎng)條件下的抗干擾能力，減少諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，從而提高整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1.3 虛擬阻抗控制技術(shù)

技術(shù)原理。虛擬阻抗控制技術(shù)是一種在逆變器控制策略中引入虛擬阻抗，以提高逆變器在弱電網(wǎng)條件下的穩(wěn)定性的方法。通過在逆變器輸出端添加虛擬阻抗，可改善逆變器與電網(wǎng)之間的阻抗匹配，降低諧波干擾，提高電流波形的品質(zhì)[1]。虛擬阻抗控制技術(shù)的核心原理是在逆變器控制回路中引入虛擬阻抗項(xiàng)，使逆變器表現(xiàn)出類似于傳統(tǒng)電氣元件的特性，從而增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

實(shí)現(xiàn)方法。虛擬阻抗控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要依賴于合適的控制策略。以下是一種典型的虛擬阻抗控制實(shí)現(xiàn)方法：在逆變器的電流控制環(huán)中引入虛擬阻抗項(xiàng)。設(shè)虛擬阻抗為Z_v，電流控制環(huán)的參考電流為i_ref，實(shí)際電流為i_actual，誤差電流為i_err，則有：i_err=i_ref-i_actual；將虛擬阻抗項(xiàng)添加到電流誤差中，得到新的誤差電流i_err'。計(jì)算方法如下：i_err'=i_err+Z_v（d(i_actual)/dt），其中d（i_actual）/dt表示實(shí)際電流的微分；將新的誤差電流i_err'作為控制輸入，通過電流控制器（如PI控制器）得到逆變器的控制信號(hào)。

技術(shù)效果。采用虛擬阻抗控制技術(shù)可顯著提高逆變器在弱電網(wǎng)條件下的穩(wěn)定性。具體表現(xiàn)為：改善逆變器與電網(wǎng)的阻抗匹配，降低輸出電流中的諧波干擾，提高電流波形的品質(zhì)；增強(qiáng)逆變器在電網(wǎng)擾動(dòng)、負(fù)載變化等情況下的抗干擾能力，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行；提高逆變器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，使其能夠更快地適應(yīng)電網(wǎng)環(huán)境的變化。

1.4 模型預(yù)測(cè)控制策略

技術(shù)原理。模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control,MPC）策略是一種基于系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)和優(yōu)化目標(biāo)的先進(jìn)控制策略。MPC通過實(shí)時(shí)地構(gòu)建逆變器系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)狀態(tài)和輸出，并在滿足系統(tǒng)約束條件的前提下，尋找最優(yōu)的控制輸入。該策略具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性，能夠有效地提高逆變器在弱電網(wǎng)條件下的穩(wěn)定性。

實(shí)現(xiàn)方法。MPC策略的實(shí)現(xiàn)步驟如下：建立逆變器系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型。常用的預(yù)測(cè)模型包括狀態(tài)空間模型、差分方程模型等[2]。設(shè)系統(tǒng)狀態(tài)為x（k），控制輸入為u（k），系統(tǒng)輸出為y（k），預(yù)測(cè)模型可以表示為：x（k+1）=f（x（k）,u（k））y（k）=g（x（k）,u（k）），其中k表示離散時(shí)間步長(zhǎng)；確定優(yōu)化目標(biāo)和約束條件。優(yōu)化目標(biāo)通常為最小化系統(tǒng)誤差和控制輸入的變化，可以表示為：minJ=Σ||y_ref(k+i)-y(k+i)||^2+Σ||Δu(k+i-1)||^2，其中：y_ref（k+i）表示參考輸出，i表示預(yù)測(cè)時(shí)域，Δu（k+i-1）表示控制輸入的變化。約束條件可以包括控制輸入的上下限、系統(tǒng)狀態(tài)的約束等；求解優(yōu)化問題，得到最優(yōu)控制輸入u＊（k）；將最優(yōu)控制輸入u＊（k）應(yīng)用于逆變器系統(tǒng)，進(jìn)行控制。

技術(shù)效果。采用模型預(yù)測(cè)控制策略可有效提高逆變器在弱電網(wǎng)條件下的穩(wěn)定性。具體表現(xiàn)為：較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較高的穩(wěn)定性。MPC策略能夠?qū)崟r(shí)地預(yù)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)和輸出，提前調(diào)整控制輸入，從而實(shí)現(xiàn)較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較高的穩(wěn)定性；較強(qiáng)的魯棒性。MPC策略具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠應(yīng)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化、非線性特性等情況，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行；約束條件的考慮。MPC策略在求解優(yōu)化問題時(shí)，可考慮系統(tǒng)約束條件，保證控制輸入的合理性，避免系統(tǒng)過載等問題。

2 試驗(yàn)與仿真驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

為驗(yàn)證上文提到的提升逆變器穩(wěn)定性的方法，筆者搭建了一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)平臺(tái)主要包括以下幾個(gè)部分：?jiǎn)蜗嗄孀兤?，作為試?yàn)對(duì)象，輸出電壓和電流；微處理器（如DSP或FPGA），負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)逆變器的控制策略；電流和電壓傳感器，用于測(cè)量逆變器的輸出電壓和電流；負(fù)載模擬器，模擬不同的弱電網(wǎng)條件；示波器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用于記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)和進(jìn)行試結(jié)果分析。

2.2 弱電網(wǎng)條件下逆變器穩(wěn)定性試驗(yàn)

在試驗(yàn)中首先設(shè)定了一組弱電網(wǎng)條件，包括低電壓、高阻抗等。然后對(duì)比測(cè)試了在弱電網(wǎng)條件下，使用動(dòng)態(tài)電壓支持技術(shù)、虛擬阻抗控制技術(shù)和模型預(yù)測(cè)控制策略的逆變器穩(wěn)定性表現(xiàn)。

試驗(yàn)過程中分別記錄了以下數(shù)據(jù)：逆變器輸出電壓和電流波形、系統(tǒng)的諧波失真率（THD）、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間、在不同負(fù)載條件下的穩(wěn)定性表現(xiàn)。以動(dòng)態(tài)電壓支持技術(shù)為例，試驗(yàn)結(jié)果顯示：輸出電壓波形：在弱電網(wǎng)條件下，采用動(dòng)態(tài)電壓支持技術(shù)的逆變器輸出電壓波形較為平穩(wěn)，波動(dòng)幅度較?。恢C波失真率：試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，使用動(dòng)態(tài)電壓支持技術(shù)的逆變器在弱電網(wǎng)條件下，諧波失真率降低了約30%；動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間：使用動(dòng)態(tài)電壓支持技術(shù)的逆變器在負(fù)載突變時(shí)，響應(yīng)時(shí)間縮短了約20%；不同負(fù)載條件下的穩(wěn)定性表現(xiàn)：在不同負(fù)載條件下，使用動(dòng)態(tài)電壓支持技術(shù)的逆變器表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

2.3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，筆者采用MATLAB/Simulink[4]搭建了逆變器系統(tǒng)的仿真模型，并在弱電網(wǎng)條件下對(duì)比分析了各種控制策略的穩(wěn)定性表現(xiàn)。仿真結(jié)果顯示，使用動(dòng)態(tài)電壓支持技能（DVS）與虛擬同步機(jī)（VSM）相結(jié)合的控制策略，在弱電網(wǎng)條件下具有較好的穩(wěn)定性表現(xiàn)。以下分析各種控制策略在弱電網(wǎng)條件下的具體表現(xiàn)。

2.3.1 控制策略對(duì)比分析

筆者分別采用傳統(tǒng)的比例積分（PI）控制、滑?？刂疲⊿MC）、動(dòng)態(tài)電壓支持技能（DVS）以及虛擬同步機(jī)（VSM）控制策略進(jìn)行仿真對(duì)比。在弱電網(wǎng)條件下，對(duì)于各種控制策略的穩(wěn)定性表現(xiàn)分析如下。

比例積分（PI）控制：在弱電網(wǎng)條件下，PI控制策略表現(xiàn)出較低的穩(wěn)定性。在電網(wǎng)擾動(dòng)較大的情況下，PI控制器的響應(yīng)速度較慢，容易導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)；滑?？刂疲⊿MC）：與PI控制相比，滑?？刂圃谌蹼娋W(wǎng)條件下表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。其快速響應(yīng)的特點(diǎn)有利于提高系統(tǒng)的魯棒性，但在低頻振蕩情況下仍存在改進(jìn)空間。

動(dòng)態(tài)電壓支持技能（DVS）：DVS在弱電網(wǎng)條件下表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。通過引入輔助電壓環(huán)，DVS能夠提供電壓支持，改善電網(wǎng)穩(wěn)定性。然而，單獨(dú)使用DVS仍存在一定的局限性，例如在擾動(dòng)較大的情況下，其響應(yīng)速度仍然較慢；虛擬同步機(jī)（VSM）：VSM通過模擬同步發(fā)電機(jī)的慣性特性，能夠在弱電網(wǎng)條件下提供較好的穩(wěn)定性表現(xiàn)。但單獨(dú)使用VSM可能無(wú)法應(yīng)對(duì)電網(wǎng)的復(fù)雜擾動(dòng)。

2.3.2 綜合控制策略

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)在弱電網(wǎng)條件下的穩(wěn)定性表現(xiàn)，筆者采用動(dòng)態(tài)電壓支持技能（DVS）與虛擬同步機(jī)（VSM）相結(jié)合的控制策略。仿真結(jié)果顯示，這種綜合控制策略能夠充分發(fā)揮DVS與VSM的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更快速的響應(yīng)、更高的穩(wěn)定性和更好的魯棒性。

3 提升逆變器穩(wěn)定性技術(shù)的應(yīng)用與推廣

在新能源領(lǐng)域，逆變器技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，提高逆變器穩(wěn)定性成為當(dāng)前重要課題。下文是關(guān)于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、微電網(wǎng)系統(tǒng)和電力電子變換器的技術(shù)應(yīng)用與推廣。

3.1 可再生能源發(fā)電系統(tǒng)

隨著全球?qū)沙掷m(xù)能源的需求日益增長(zhǎng)，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性變得尤為重要。在太陽(yáng)能光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等領(lǐng)域，逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的關(guān)鍵設(shè)備。提高逆變器的穩(wěn)定性可有效降低故障率，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。為此，研究人員開始采用先進(jìn)的控制策略，如模型預(yù)測(cè)控制、滑?？刂频龋詢?yōu)化逆變器性能并提高其穩(wěn)定性。此外，通過對(duì)逆變器進(jìn)行故障診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)，可以有效地延長(zhǎng)設(shè)備壽命，降低運(yùn)行成本。

3.2 微電網(wǎng)系統(tǒng)

微電網(wǎng)是一種具有分布式能源和負(fù)荷的小型電網(wǎng)，可獨(dú)立運(yùn)行或與主電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。微電網(wǎng)中的逆變器用于將分布式能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能等）轉(zhuǎn)換為可用的交流電。為確保微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高逆變器穩(wěn)定性至關(guān)重要。微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性可通過多種方法提高，如采用虛擬阻抗控制技術(shù)來降低輸出電流波動(dòng)，使用多級(jí)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以降低諧波影響，以及實(shí)施動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償以優(yōu)化系統(tǒng)的功率因數(shù)。同時(shí)，微電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)的智能優(yōu)化也有助于提高逆變器的穩(wěn)定性。

3.3 電力電子變換器

電力電子變換器，包括直流/直流（DC/DC）變換器、直流/交流（DC/AC）逆變器和交流/直流（AC/DC）整流器等，是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備。逆變器在電力電子變換器中具有舉足輕重的地位，廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，微網(wǎng)系統(tǒng)，智能電網(wǎng)等。