提高多逆变器并网运行稳定性的控制方法

谢文浩　王建赜　纪延超

摘要：针对微电网中多逆变器并列运行时功率分配不当导致分布式电源并网困难，特别是功率动态分配的情况下系统可靠性更加恶化的问题进行研究。首先建立了多机下垂控制模型，推导下垂系数与分布式电源容量的匹配方程，并分析系统的静态稳定性。其次，提出了一种下垂控制与虚拟同步发电机控技术相结合的功率控制策略。通过增大逆变器的惯性和阻尼系数，抑制了微电网的频率波动，从而在输出功率静态稳定的同时，削弱了分布式电源并网产生的冲击，提高微电网运行的稳定性。最后，通过Matlab/Simulink仿真验证了所提控制策略的有效性。

关键词：微电网；逆变器并联；下垂控制；虚拟同步发电机；稳定性

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.013

中图分类号： TM464

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）01-0070-05

Abstract：The power share among multiple gridconnected inverters in microgrids is investigated to strengthen the system robust， especially when power flow varies frequently. Firstly， a model of droop control based multiple gridconnected inverters is established to deduce proper droop coefficients and analyze statistic stabilities. Then， a control strategy which combines with droop control and virtual synchronous generator is proposed to improve system stability. The proposed control scheme is utilized to increase the inertia and damping for inverters to suppress the fluctuation of frequency， which provides a perfect static stability and minimize shocks. Finally， simulation experiments are conducted to verify the effectiveness and validity of the proposed strategy.

Keywords：microgrid； inverter parallel； droop control； virtual synchronous generator； stability

0引言

隨着全球能源危机和环境问题的日益突出，分布式电源的并网技术引起了广泛的重视[1]。虽然，新能源发电比传统发电机的装机容量小，但仍然不能轻视分布式电源给电网安全稳定运行带来的挑战[2-3]。因此，并网逆变器作为分布式电源与微电网的接口，其控制性能逐渐成为影响微电网稳定运行的重要因素。

本文讨论的多逆变器并列运行方式为对等控制模式，即微电网中各分布式电源在控制权上具有同等的地位[4-6]，每个并网逆变器都只根据接入系统点的电压频率和幅值信息进行控制，具有即插即用的特点。所以对等控制模式下的并网逆变器和主控制器之间不存在通信，减轻了上层控制器的压力。

多逆变器并列运行的微电网系统中，最常用的自主控制策略是下垂控制。逆变器采用类似传统发电机的下垂特性曲线作为控制依据，将系统功率动态分配给各分布式电源，保证微电网内部的功率平衡[7-9]，具有控制简单，静态稳定性好的优点。然而，常规下垂控制策略导致并网逆变器惯性小、难以参与微电网的频率调节[10-12]。负荷发生变化时，逆变器无法为的微电网提供必要的阻尼作用，微电网频率波动较大，严重影响系统的稳定性。因此有必要对逆变器控制策略的动态稳定性展开深入研究。值得一提的是虚拟同步发电机控制策略能有效增大逆变器的惯性[13-20]。本文提出将功率下垂控制与虚拟同步发电机技术相结合的控制策略，保留下垂控制良好的静态稳定性，同时提高微电网的动态稳定性。

1多逆变器并网模型

并网逆变器依据工作方式可分为电压控制模式和电流控制模式。考虑到逆变器工作在孤岛情况下，需要为微电网提供电压支撑，同时为了避免在双模切换时的冲击电流，因此本文所提的控制策略均属电压控制模式。图1表示两台并网逆变器并列运行的结构图，PCC（point of common coupling）为两台逆变器并网的公共耦合点。此时逆变器的功率外环产生电压参考值，再经过电压电流双闭环控制获得PWM调制信号。

式中，X代表逆变器与交流网络之间的电抗，Us代表交流网络侧电压幅值，U0代表逆变器输出电压的幅值；δ代表逆变器输出电压与电网耦合点电压的功角。正常运行时，δ较小，所以可以认为注入电网的有功功率和逆变器输出电压的功角呈线性关系，无功功率和输出电压幅值成线性关系，实现了有功功率和无功功率的解耦控制。

下垂控制正是模拟传统发电机组“功频静特性”的方法，其控制原理如图2所示。当系统有功负荷突然增大时，电网电压的频率下降。下垂控制模拟发电机调速器增大机组输出的有功功率，最终使得频率稳定在低于初始值的新稳态。同样，当系统无功负荷突然增大时，电网电压的幅值下降。下垂控制模拟发电机的励磁控制器控制机组输出端电压，增大发出的无功功率，最终使得电压幅值稳定在新的稳态。

从图2的功率控制图中可以发现，常规下垂控制方法的基本思想是通过检测公共耦合点的电压频率和电压幅值，利用下垂特性式（2）和（3）确定逆变器输出的有功功率和无功功率的参考值。实现各并联的逆变器之间的负荷自动分配。

3改进的虚拟同步发电机控制策略

传统同步发电机因转子的转动惯量大，对电网的负荷变化起到一定的稳定作用。然而，基于电力电子变换器的分布式电源动态响应快、惯性小、难以参与电网的功率调节，不能为稳定性较差的微电网提供必要的阻尼作用，不利于微电网的安全运行。

但是，电力电子器件的逆变器可以借助适当的控制策略达到期望的动静态性能。虚拟同步发电机控制通过模拟传统同步发电机的机械特性和电气特性，可以有效增大逆變器的惯性和阻尼系数。

本文提出一种将功率下垂控制与虚拟同步发电机技术相结合的控制方法如图3所示。首先通过下垂控制规律模拟发电机组一次调频的“功频静特性”，确保多机运行时负载功率的合理分配。然后采用虚拟同步发电机技术，在逆变器的输出引入惯性。

微电网功率平衡的仿真结果如图4所示。在0.25s时，负载的有功功率从30kW突加到34.5kW，相应地，#1逆变器分配的有功功率从20kW增大到23kW，而#2逆变器分配的有功功率从10kW增大到11.5kW。负载的功率变化依据微电源容量自动分配给两台逆变器，证明下垂控制在两机并列运行的系统中具有较好的静态稳定性。

然后，为测试常规下垂控制的动态性能，对并网逆变器做了空载起动、50%额定功率运行和100%额定功率（20kW）运行的实验，结果如图5和图6所示。在0～0.03s内，逆变器工作在预同步模式，并网后的0.03s～0.07s中逆变器的输出功率保持在1kW以内，并快速减小，说明逆变器已经成功并网。随后进行了两次加载实验，可以看出逆变器加载的动态过渡过程为0.03s，并且功率的稳态误差较小。

为了验证虚拟同步发电机的惯性和阻尼特性，搭建了本文提出的虚拟同步发电机的控制模型，结果如图7～图9所示。0.07s时逆变器的功率参考值从0突加到10kW，而逆变器的并网有功功率经过1.1s的动态过程才缓慢达到功率给定值。在逆变器稳定工作后，再次增大功率参考值到100%额定功率，观察到相同的动态过程。

比较两种控制策略的动态仿真结果，可以看出改进虚拟同步发电机控制将逆变器的加载过程从0.03s增大到1.1s，表现出较大的惯性和阻尼作用。

图9为改进虚拟同步发电机控制的逆变器参考电压的角频率变化过程，逆变器加载时参考角频率的波动始终小于0.1rad/s，从而避免了电网频率的波动，显著削弱了分布式电源并网对微电网的冲击。

5结论

本文研究了多逆变器并列运行下微电网的动静态稳定性。常规下垂控制策略模拟传统发电机的功频静特性，对有功功率和无功功率解耦控制，使各逆变器依据容量自动分配微电网中的负荷变化，具有良好的静态稳定性。随后，针对下垂控制策略惯性和阻尼较小的不足，提出了一种将功率下垂控制与虚拟同步发电机控技术相结合的控制策略，模拟传统同步发电机的机械和电气特性，控制逆变器的虚拟转矩和机端电压的缓慢变化，抑制了微电网的频率波动。最后，通过仿真验证了本文所提的控制方法使并网逆变器具有了良好的动静态稳定性，削弱了分布式电源并网对微电网的冲击，有利于微电网的安全运行。

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（编辑：关毅）