微网逆变器并联自适应下垂控制技术

    陶泉霖 曹以龙 江友华

    摘 要：微网中使用下垂控制可实现逆变器在并联时负载功率得到合理地分配，而传统下垂控制不能合理分配无功功率且存在环流影响系统电能质量的缺陷，所以本文提出了一种自适应下垂控制策略。通过引入虚拟阻抗，本文采用自适应的控制策略对下垂控制进行修正，在模拟分流线路阻抗一致的前提下引用合理获取的下垂参数，达到控制目的。该策略不仅提高了无功功率分配的精度，而且有效减小了系统间的环流，提升了电能质量。仿真并实验验证该方法的有效性。

    关键词：并联逆变器；下垂控制；虚拟阻抗；自适应控制；功率分配

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

    0 引言

    目前，以太阳能、风能等新能源作为代表的可再生能源在资源匮乏和环境污染等问题日益严重的情况下受到越来越多的关注。微电网系统作为由可再生能源、负载和储能装置构成的低压配电系统可以有机的将各种新能源产生的电能作为输出用电或者发送到电网上。微电网通常存在并网或者孤岛运行两种模式，其中的微电源一般是通过逆变器并联构成交流电网。合理地对逆变器进行控制可以保证微电网的安全、稳定运行。下垂控制（Droop Control）是微电网逆变器并联中较为常用的控制方式，其主要通过模拟常规电网中同步发电机的下垂外特性实现对功率的合理分配。该方法可以有效分配各分布式单元的电能，在负荷发生变化时也能满足其需求使系统自身平衡，做到了“即插即用”。逆变器并联是采用下垂控制提高了微电网系统的控制灵活性和稳定性，但是由于传统下垂控制策略的固有缺陷，系统的动态性能极大程度上取决于拓扑结构中的濾波器性能与输出阻抗，同时还受下垂系数的影响。而负载端的有功功率是由输出电压频率、输出电压的幅值以及输出功率决定的。所以在逆变器并联时使用传统下垂控制作为控制策略的时候，逆变器的动态性能并不是独立受控的。

    本文在引入虚拟阻抗的基础上，提出了一种采用自适应方案改进下垂控制的方法，该控制结构可以合理均分有功功率，减小被分配无功功率间误差，以及有效降低系统产生的环流。

    1 传统下垂控制

    1.1 传统下垂控制原理分析

    传统下垂控制通过模拟常规电网系统中同步发电机的下垂外特性，根据发电机机端电压频率与发出有功功率、电压幅值与输出无功功率间的关系实现对输出电压的频率与幅值调整。采用两台R型逆变电源构成并联运行，其并联结构如图1所示[1-3]。

    其中Ei∠δi、E2∠δ2 表示逆变器i输出端电压，δi是逆变器i端电压和公共连接点处的相角差，线路的电阻和电感组等效为Roi，Si、Pi和Qi分别表示负载端的视在、有功和无功功率。

    文献[6]已经证明了通过对逆变电源虚拟输出电压Ei的频率和幅值的控制可以实现调节输出功率Pi、Qi的可行性。但使用虚拟阻抗后，因线路阻抗差异导致的输出无功功率的均分问题仍未得到改善，且目前引入虚拟阻抗的技术都或多或少地使系统等效输出阻抗增加，加重了母线电压降落，进而导致系统的供电电压质量降低。

    2 自适应的下垂控制

    通过前文推导可知，采用传统下垂控制时，若系统的负载增加，则系统电压会出现下降。而在系统中加入虚拟阻抗会导致电压的再次降低，这大大影响了系统的供电质量。而如果采用较小的下垂系数，虽然电压下降幅度减小，保证了一定的供电质量，但是小系数将会降低系统的动态响应速度，也可能影响到其稳定运行状态。为保证系统电压降落可维持在系统可接受能力内，同时解决输出无功功率的均分问题，本文在虚拟阻抗的基础上，采用自适应控制对下垂控制进行修正。该方案在稳定功率均分的性能的基础上，可以产生系统需要的瞬态响应性能从而达到减小在不同操作条件下系统产生的环流。

    自适应下垂控制的实现对功率分配控制的基本原理如图3所示。通过计算输出无功功率Q值与参考无功Qref间的差额作为附加值来设定期望的电压幅值。

    当Q>Qref时，电压振幅分别从第10行和第20行调节至第11行和第21行。取出无功功率最大值Qmax，并从电压振幅中减去一个常数值nadd（Qmax-Qref）。因此，当Q再次低于Qref时，电压振幅不会恢复到第10行和第20行，而是回到第12行和第22行。这种现象可以用公式（8）来表示。

    3 仿真与实验

    利用MATLAB/Simulink搭建了仿真模型，仿真系统见图6。选取了下垂系数为：，。

    仿真过程为：逆变器1先带6kW+4kVar负载启动，用来支撑母线电压，逆变器2则是带空载启动，在0.3s时将相同负载接入逆变器2所在线路。图7为传统下垂逆变器并联过程中的功率分配及系统间环流情况。图8为在相同负载条件下自适应下垂控制策略控制逆变器并联过程中的功率分配及系统间环流情况。采用传统的下垂策略控制逆变器时，可见在0.3s到0.5s时间内，实现了均分有功功率。但是达到稳定之后的逆变器无功功率误差为700Var，且系统存在幅值为1.9A的环流。而使用自适应下垂控制策略控制逆变器并联不仅在0.3s到0.5s时间内实现了均分有功功率，在达到稳定之后无功功率误差减少到了250Var，两台逆变器之间的无功环流幅值减小到0.75A。由此仿真验证了本文提出的自适应下垂控制能够起到提高功率分配精度并减少系统环流的作用。

    实验室选取与仿真时相同的参数带4.5kW阻性负载进行实验并对实验波形进行分析。图9（a）为在并联的两台逆变器使用传统下垂控制的瞬时及稳态时的实验波形图。图9（b）为在给出了相同负载条件下，在两台逆变器并联基于时使用自适应下垂控制的瞬时及稳态时的实验波形图。由图9（a）和图9（b）对比可得：并联瞬间，红色1通道即两台逆变器间的环流在使用传统下垂控制时减小，系统稳定之后，环流幅值稳定为2A；使用自适应下垂控制时环流快速减小，系统稳定之后，环流幅值降至0.5A。且系统稳定之后，传统下垂控制下，紫色3通道代表的逆变器1的输出电流与绿色4通道代表的逆变器2输出电流可以看出明显相位差，蓝色2通道代表的环流与逆变器输出电压相位角相差约90°，此现象说明此时的功率环流的主要成分为无功环流。然而在自适应下垂控制下，逆变器1与逆变器2间的输出电流已基本重合。实验结果与仿真结果相一致，因此在带4.5kW阻性负载的条件下，改进型下垂控制能够有效地提高系统整体的均分精度（主要是无功功率分配），并且较大限度地抑制功率环流。

    4 结论

    （1）本文简要阐述了下垂控制基本原理，并针对现有的基于下垂控制的微电网系统普遍存在的功率环流问题，基于下垂控制的逆变器并联系统进行了建模分析仿真与实验证实了本文提出的自适应下垂控制策略可以有效地进行功率均分，同时相对于传统下垂控制提高了无功功率分配的精度，还减少了系统间环流提升了电能质量。

    （2）由于实验条件限制，只进行了带阻性负载的系统情况下实验验证，有些许片面。且本文使用的改进下垂控制策略只能削弱系统内的环流，而不能完全消除，因此，控制策略方面还有改进的空间。因此，本文取得的成果与结论还存在一些不足。

    （3）本文所研究的并联系统只存在两台逆变器，在后续的研究中可以增加逆变器的个数，进一步验证下垂控制策略的性能。

    参考文献：

    [1]张明锐，杜志超，王少波.微网中下垂控制策略及参数选择研究[J].电工技术学报，2014，29（02）：136-144.

    [2]荆龙，黄杏，吴学智.改进型微源下垂控制策略研究[J].电工技术学报，2014，29（02）：145-152+184.

    [3]王成山，高菲，李鹏，黄碧斌，丁承第，于浩.低压微网控制策略研究[J].中国电机工程学报，2012，32（25）：2-9.

    [4]钟庆昌，托马斯，霍尔尼克.新能源接入智能电网的逆变控制关键技术[M].国际电气工程先进技术译丛：机械工业出版社，2016.

    [5]谭明.光储联合微电网控制策略的研究与应用[D].重庆大学，2012.

    [6]程军照，李澍森，吴在军，陈江波.微电网下垂控制中虚拟电抗的功率解耦机理分析[J].电力系统自动化，2012，36（07）：27-32.