光伏微網(wǎng)并網(wǎng)逆變器下垂控制策略改進(jìn)研究

韓 慶，施偉鋒

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光伏微網(wǎng)并網(wǎng)逆變器下垂控制策略改進(jìn)研究

韓 慶，施偉鋒

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306）

傳統(tǒng)下垂控制策略廣泛應(yīng)用于光伏微網(wǎng)并網(wǎng)逆變器控制，但是沒(méi)有考慮在低壓微網(wǎng)系統(tǒng)中由于線路阻抗比較大引起的功率耦合問(wèn)題，以及多個(gè)微電源供電時(shí)系統(tǒng)功率分配不均衡問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本文在傳統(tǒng)下垂控制基礎(chǔ)上，應(yīng)用坐標(biāo)變換對(duì)有功功率與無(wú)功功率進(jìn)行耦合控制，又通過(guò)在電壓電流環(huán)之中加入虛擬動(dòng)態(tài)阻抗環(huán)，提出一種基于電壓-電流-阻抗三環(huán)控制的光伏微網(wǎng)并網(wǎng)逆變器控制策略。該策略隨電壓電流的波動(dòng)而改變虛擬阻抗值，合理分配系統(tǒng)的有功和無(wú)功功率，在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)自動(dòng)切除虛擬動(dòng)態(tài)阻抗，減小系統(tǒng)的功率環(huán)流和線路的損耗，同時(shí)限制系統(tǒng)的電壓降落，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。最后，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該改進(jìn)控制策略的有效性和可行性。

光伏微網(wǎng) 下垂控制 虛擬動(dòng)態(tài)電阻 功率分配 并網(wǎng)逆變器

0 引言

隨著全球能源危機(jī)的日益加重，環(huán)境污染問(wèn)題日漸突出，作為應(yīng)對(duì)措施之一，新能源發(fā)電技術(shù)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，由不同分布式電源組成的微網(wǎng)系統(tǒng)的研究被國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者廣泛的關(guān)注[1]。微網(wǎng)是由分布式電源、負(fù)載、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、監(jiān)控和保護(hù)等裝置組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。目前，如何提高微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行功率平穩(wěn)性和并網(wǎng)的快速性成為微網(wǎng)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[2]。

下垂控制是實(shí)現(xiàn)多個(gè)微電源并網(wǎng)供電的主要控制策略，由于只需要檢測(cè)逆變器的運(yùn)行情況，無(wú)需逆變器之間的通訊聯(lián)系[3]，所以下垂控制策略被廣泛應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器的對(duì)等控制中。微網(wǎng)線路較短與線路電壓等級(jí)較低的特點(diǎn)決定了其感抗與電阻為同一數(shù)量級(jí)，無(wú)法與長(zhǎng)距離輸電線路一樣作等效處理，傳統(tǒng)的下垂控制在微網(wǎng)系統(tǒng)中直接應(yīng)用有功功率與無(wú)功功率控制，這必然會(huì)引起有功功率與無(wú)功功率之間的耦合問(wèn)題，從而導(dǎo)致微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的不平穩(wěn)以及不同微電源之間有功功率與無(wú)功功率分配不平衡的問(wèn)題[4]。文獻(xiàn)[5]是基于虛擬同步發(fā)電機(jī)思想的微網(wǎng)逆變器電源控制策略研究，實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)并離網(wǎng)的無(wú)差控制，但是該控制策略的建模過(guò)程需要運(yùn)用電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程和電機(jī)的機(jī)械方程，這樣使得建模過(guò)程復(fù)雜，不利于快速實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[6]提出虛擬頻率—電壓下垂控制方法，這樣可以實(shí)現(xiàn)低壓微網(wǎng)功率的合理控制，但是其控制方法較為復(fù)雜，虛擬值的設(shè)定存在一定的技巧性，在實(shí)際工程中難以復(fù)現(xiàn)。文獻(xiàn)[7]提出了P-f、Q-V下垂控制，但是該方法只適用于線路電壓等級(jí)較高的系統(tǒng)，現(xiàn)行分布式微網(wǎng)系統(tǒng)一般不滿足這樣的條件。文獻(xiàn)[8]采用了增設(shè)虛擬阻抗的方式，在逆變器輸出端口到公共并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間增加虛擬電感值，使線路呈現(xiàn)電感特性，以此來(lái)解決功率耦合的問(wèn)題，但是要實(shí)現(xiàn)該控制策略最好的辦法是增加大數(shù)量級(jí)的電感，而這樣將導(dǎo)致系統(tǒng)的電能質(zhì)量下降，同時(shí)帶來(lái)諧波次數(shù)增多、諧波強(qiáng)度增大的問(wèn)題。文獻(xiàn)[9]提出了通過(guò)設(shè)計(jì)逆變器參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器輸出端口等效為電感特性的方法，但該方法在一定程度上受電壓、電流控制器參數(shù)的限制。文獻(xiàn)[10]提出了虛擬負(fù)阻抗的概念，即根據(jù)低壓線路的特性對(duì)線路參數(shù)進(jìn)行等效阻抗設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)逆變器并網(wǎng)運(yùn)行條件下的功率均衡控制，此方法有效避免了因線路阻抗特性帶來(lái)的功率分配不平衡問(wèn)題，但是在響應(yīng)時(shí)間快速的同時(shí)系統(tǒng)波動(dòng)性增大，在系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時(shí)，仍然存在阻抗引起的不同微源逆變器之間的功率環(huán)流問(wèn)題。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，采用三環(huán)控制方法，在低壓微網(wǎng)三相逆變器的下垂控制策略中引入虛擬動(dòng)態(tài)阻抗，應(yīng)用線路阻抗參數(shù)對(duì)功率進(jìn)行坐標(biāo)變換，耦合后分別對(duì)電壓、電流進(jìn)行控制，同時(shí)在內(nèi)外環(huán)控制之間加入虛擬阻抗，來(lái)降低電壓電流的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率的平衡分配，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 傳統(tǒng)下垂控制策略

由電機(jī)學(xué)原理得到同步發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率方程為式(1)和(2)所示：

各逆變器單元檢測(cè)到輸出功率，通過(guò)下垂特性得到輸出電壓頻率和幅值的指令值，然后反饋微調(diào)各自電壓的頻率和幅值以達(dá)到系統(tǒng)所需要的有功功率與無(wú)功功率的分配值。

2 功率耦合下垂控制策略

圖1逆變器功率傳輸示意圖

由圖1所示逆變器傳輸?shù)刃疽鈭D可以得出，逆變器輸出的無(wú)功功率及有功功率可以改寫為:

將式(5)和(6)代入式(3)和(4)得：

由式(7)和(8)得角度與幅值的表達(dá)式：

由上述公式及原理可以推導(dǎo)出在低壓有阻抗的微網(wǎng)系統(tǒng)下的下垂控制表達(dá)式：

圖2 PQ-fU下垂控制框圖

上述功率耦合控制考慮了低壓微網(wǎng)輸電線路阻感比較大的特性，該改進(jìn)策略可以自動(dòng)跟蹤功率參考值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓微網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的有效控制，相對(duì)于傳統(tǒng)的下垂控制策略，它降低了線路參數(shù)的敏感性，以維持逆變器輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。

3阻抗-電壓-電流三環(huán)改進(jìn)下垂控制策略

圖3 改進(jìn)下垂三環(huán)控制框圖

3.1 電壓電流雙閉環(huán)設(shè)計(jì)

微網(wǎng)逆變器表現(xiàn)為電壓源特性，為整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)提供電壓和頻率支持，可以通過(guò)控制虛擬阻抗值來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率在并網(wǎng)系統(tǒng)中的合理分配。

本文采用電壓電流雙閉環(huán)控制，在電壓環(huán)與電流環(huán)之間加入求解線路阻抗的反饋控制環(huán)節(jié)，如圖4所示。

圖4 電壓電流雙環(huán)控制原理圖

通過(guò)圖4電壓電流雙閉環(huán)控制的模型可以得到：

由上述公式，在低壓微網(wǎng)中考慮線路的阻感特性推導(dǎo)可得：

3.2 虛擬動(dòng)態(tài)阻抗設(shè)計(jì)

虛擬阻抗可以保證每個(gè)微網(wǎng)電源的輸出功率均衡化，這是實(shí)現(xiàn)下垂控制策略的必要條件，其它的改進(jìn)下垂控制策略的虛擬阻抗為靜態(tài)值，本文提出的是動(dòng)態(tài)虛擬阻抗方法。在多個(gè)微電源系統(tǒng)中，有功功率分配關(guān)系如圖5所示，功率調(diào)節(jié)最終到達(dá)C點(diǎn)。

圖5 虛擬動(dòng)態(tài)電阻下兩個(gè)微電源功率分配圖

應(yīng)用圖3的控制方式增加虛擬阻抗時(shí)，得：

通過(guò)式(15)和(16)可得出輸出電壓：

引入基于等效輸出阻抗光伏微網(wǎng)逆變器模型如圖6所示。

圖6基于等效輸出阻抗的逆變器模型結(jié)構(gòu)圖

由圖6可得逆變器輸出的等效阻抗值：

考慮到微網(wǎng)系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式下其線路參數(shù)是不確定的，虛擬阻抗值不能準(zhǔn)確獲得，故而引入動(dòng)態(tài)虛擬阻抗值。其表達(dá)式為：

在系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，電流隨時(shí)間變化，引起阻抗值的變化。式(18)和(20)聯(lián)立求解得出輸出電壓與動(dòng)態(tài)阻抗值的關(guān)系式：

引入動(dòng)態(tài)虛擬阻抗值逆變器輸出阻抗值為：

當(dāng)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時(shí)，動(dòng)態(tài)虛擬阻抗值也趨于穩(wěn)定。電壓環(huán)采用比例積分負(fù)反饋控制；電流環(huán)采用比例反饋控制。在系統(tǒng)額定頻率運(yùn)行時(shí)，逆變器的輸出阻抗為電阻特性。此外，由于引入系統(tǒng)負(fù)反饋調(diào)節(jié)，克服了傳統(tǒng)下垂控制中下垂系數(shù)和線路阻抗對(duì)電壓降的影響。

4 仿真驗(yàn)證

4.1系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證該改進(jìn)三環(huán)下垂控制策略的有效性，在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下搭建仿真模型，模型包括光伏與蓄電池兩個(gè)微電源。應(yīng)用66片光伏電池板模擬小區(qū)微網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)最大功率設(shè)計(jì)為100 kW；應(yīng)用理想直流電壓源來(lái)模擬蓄電池，其直流電壓為800 V，不考慮其充放電控制策略問(wèn)題，大電網(wǎng)側(cè)為25 kV區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。其各參數(shù)值如表1所示。

4.2 仿真結(jié)果和分析

圖7所示為引入的動(dòng)態(tài)虛擬阻抗值，從圖中可以看出，在微網(wǎng)剛接入大電網(wǎng)時(shí)，由于線路阻抗比較大的原因，虛擬阻抗值較大，如圖8局部圖像所示。系統(tǒng)平穩(wěn)時(shí)，動(dòng)態(tài)阻抗值會(huì)隨著降低直至全部切除，保證了系統(tǒng)功率的平衡分配。

圖7 虛擬阻抗值

圖8虛擬阻抗局部圖像

圖9 微網(wǎng)電壓頻率

圖10 網(wǎng)側(cè)電壓頻率

圖11和圖12所示為系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)的電壓電流，從仿真圖可以得出，系統(tǒng)的電壓基本保持不變，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，系統(tǒng)的電流發(fā)生震蕩，虛擬電阻正是通過(guò)電流的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化。

圖11 大電網(wǎng)電壓

圖12 大電網(wǎng)電流

圖13和圖14分別為光伏電源提供的功率和蓄電池提供的功率。動(dòng)態(tài)虛擬電阻的加入使系統(tǒng)的功率分配更加平衡，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，各個(gè)電源提供的功率基本保持不變。其中無(wú)功功率主要來(lái)源是蓄電池提供，如圖15所示。由于動(dòng)態(tài)虛擬阻抗的加入，解決了不同微源之間功率環(huán)流問(wèn)題，抑制了線路的損耗。

圖13 光伏電源輸出的有功功率

圖14 蓄電池提供的有功功率

圖15 蓄電池提供的無(wú)功功率

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)下垂控制策略的分析，在有功功率和無(wú)功功率耦合控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了微網(wǎng)線路增設(shè)虛擬動(dòng)態(tài)阻抗的電壓-電流-阻抗三環(huán)控制方法。在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，虛擬動(dòng)態(tài)阻抗值趨于恒定，系統(tǒng)功率分配更加均衡，系統(tǒng)頻率電壓電流更加穩(wěn)定，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，光伏微網(wǎng)對(duì)大電網(wǎng)的沖擊作用減弱。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文的改進(jìn)策略具有有效性和可行性。

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Improvement of Droop Control Strategy for Photovoltaic Grid Connected Inverter

Han Qing, Shi Weifeng

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM727

A

1003-4862（2018）05-0047-06

2018-02-15

韓慶(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。