智能微網中平衡負載下逆變器并聯控制研究

劉牮 馬文良

摘 要：傳統下垂控制沒有考慮本地負荷和并聯逆變器間線路阻抗等因素，無功功率不能實現準確分配，系統穩定性也會隨之降低。為了實現對無功功率的合理分配，在微網系統傳統下垂控制算法基礎上，在電壓電流雙閉環控制中設計虛擬阻抗，以降低有功和無功耦合程度。然后針對低壓微電網中線路阻性成分較大的問題，設計虛擬負阻抗的下垂控制算法，從而進一步降低了有功和無功耦合程度。仿真結果表明，改進下垂控制前后均可以實現對有功功率的合理分配。傳統下垂控制的無功功率無法合理分配，偏差達到了20%。加入虛擬阻抗控制算法后提高了無功功率分配精度，引入虛擬負阻抗的控制算法可使該精度進一步提高。因此，相比傳統下垂控制，加入該控制算法后逆變器可以獲得更好的功率分配效果。

關鍵字：逆變器并聯;下垂控制;虛擬阻抗;虛擬負阻抗;無功功率分配

DOI：10. 11907/rjdk. 191903 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：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，很多國家都開始探索與發展可再生能源[1]。近年來，將新能源與發電技術結合在一起的分布式發電應運而生，微電網逐漸成為學術界的研究熱點[2-4]。微網能否實現并網狀態與孤島狀態的順利切換，取決于逆變器并聯控制方法是否可靠。因此，逆變器控制是否合理至關重要。下垂控制由于具有只需本地信息實現功率自動分配、并離網切換時不需要改變控制策略等優點，因此成為當下的研究熱點[5-7]。但下垂控制作為微電網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系，以及線路阻抗不同會造成功率分配不均等問題，影響了電網性能[8-10]。文獻[11]-[13]采用將負荷通過逆變器容量比進行分擔的控制策略，但這種控制策略僅靠本地信息無法準確輸出逆變器電壓，因而無法很好地實現無功功率分配;文獻[14]-[16]中設計虛擬阻抗使得逆變器與公共耦合點間的阻抗更接近，提高了無功功率分配精度;文獻[17]-[18]引入虛擬復阻抗，使系統等效輸出阻抗呈阻性，但對功率分配精度的提高效果有限。

本文通過設計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一步提高。與傳統下垂控制相比，彌補了其無功功率分配不合理的缺陷。

1 傳統下垂控制分析

[NPC]逆變器并聯等效模型如圖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該為1∶2。現實中受到外部環境等因素影響，逆變器要滿足等效阻抗的比例是很難的，傳統下垂控制的逆變器輸出無功偏差可達20%。

2 虛擬阻抗設計

加入虛擬阻抗后的電壓電流雙閉環控制系統框架如圖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，[ki]為電感電流回饋系數，KPWM為逆變器增益。

選取合適的阻尼負電阻[Rv]，以保證系統的穩定性，同時調整[Lv]的值。當考慮功率解耦時，式（14）的虛擬電阻[R]遠小于虛擬電感[X]。工頻[Tf]很小，可以忽略。[GInv（s）]為閉環傳遞函數，[ZInv（s）]為輸出阻抗傳遞函數，在工頻處閉環傳遞函數輸出值為1，阻抗傳遞函數輸出值為0，因此在工頻處可簡化為：

4 仿真驗證及分析

在MATLAB 2016b/Simulink上搭建逆變器并聯仿真模型，首先搭建容量相同的并聯運行仿真模型，仿真主電路參數如表1所示。

當線路阻抗呈阻性時，加入虛擬負阻抗的下垂控制與只含虛擬電感的下垂控制相比，進一步降低了有功與無功耦合程度，功率均分和環流抑制效果得到了明顯改善。

搭建逆變器容量比為2∶1的并聯運行仿真模型，主電路參數如表2所示。

由圖7中仿真波形可以明顯看出，當線路阻抗呈阻性時，傳統下垂控制中有功與無功耦合嚴重。因頻率具有全局性，因此有功可以實現以2∶1比例合理分配，而無功功率無法實現合理分配。

由圖9可以看出，當線路阻抗不一致時，加入虛擬負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一步提高。

5 結語

通過分析微網中兩臺三電平逆變器并聯系統，根據相同容量與不同容量的傳統下垂控制及改進下垂控制仿真結果對比可以看出，使用傳統下垂控制會造成無功功率分配不良，偏差高達20%，而改進后的下垂控制算法逐步提高了無功功率分配精度，進而提高了輸出的電壓質量。

通過對下垂控制算法的研究，對其在智能微網中的應用有了更深的認識。在研究過程中發現，智能微網中的母線電壓會出現一定跌落，而母線電壓對輸出電壓的質量穩定也十分重要。虛擬阻抗的下垂控制算法會造成母線出現較大跌落，虛擬負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，接下來應進一步優化下垂控制算法，以消除母線電壓跌落對電能質量的影響。

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（責任編輯：黃 健）