智能微网中平衡负载下逆变器并联控制研究

刘牮 马文良

摘 要：传统下垂控制没有考虑本地负荷和并联逆变器间线路阻抗等因素，无功功率不能实现准确分配，系统稳定性也会随之降低。为了实现对无功功率的合理分配，在微网系统传统下垂控制算法基础上，在电压电流双闭环控制中设计虚拟阻抗，以降低有功和无功耦合程度。然后针对低压微电网中线路阻性成分较大的问题，设计虚拟负阻抗的下垂控制算法，从而进一步降低了有功和无功耦合程度。仿真结果表明，改进下垂控制前后均可以实现对有功功率的合理分配。传统下垂控制的无功功率无法合理分配，偏差达到了20%。加入虚拟阻抗控制算法后提高了无功功率分配精度，引入虚拟负阻抗的控制算法可使该精度进一步提高。因此，相比传统下垂控制，加入该控制算法后逆变器可以获得更好的功率分配效果。

关键字：逆变器并联;下垂控制;虚拟阻抗;虚拟负阻抗;无功功率分配

DOI：10. 11907/rjdk. 191903 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP319文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2020）005-0159-05

0 引言

随着能源的日益减少，为了解决能源问题，很多国家都开始探索与发展可再生能源[1]。近年来，将新能源与发电技术结合在一起的分布式发电应运而生，微电网逐渐成为学术界的研究热点[2-4]。微网能否实现并网状态与孤岛状态的顺利切换，取决于逆变器并联控制方法是否可靠。因此，逆变器控制是否合理至关重要。下垂控制由于具有只需本地信息实现功率自动分配、并离网切换时不需要改变控制策略等优点，因此成为当下的研究热点[5-7]。但下垂控制作为微电网逆变器控制策略还存在着一些不合理之处，如无功功率均分效果会受到微电源线路阻抗影响，微电源线路阻抗大小与其分配得到的功率之间呈反比关系，以及线路阻抗不同会造成功率分配不均等问题，影响了电网性能[8-10]。文献[11]-[13]采用将负荷通过逆变器容量比进行分担的控制策略，但这种控制策略仅靠本地信息无法准确输出逆变器电压，因而无法很好地实现无功功率分配;文献[14]-[16]中设计虚拟阻抗使得逆变器与公共耦合点间的阻抗更接近，提高了无功功率分配精度;文献[17]-[18]引入虚拟复阻抗，使系统等效输出阻抗呈阻性，但对功率分配精度的提高效果有限。

本文通过设计基于虚拟阻抗的下垂控制算法，改善了不含虚拟阻抗的下垂控制无功功率分配效果，再引入基于虚拟负阻抗的下垂控制算法，与只含虚拟电感的下垂控制方法相比，功率分配精度得到进一步提高。与传统下垂控制相比，弥补了其无功功率分配不合理的缺陷。

1 传统下垂控制分析

[NPC]逆变器并联等效模型如图1所示。其中，[L1]、[L2]和[R1]、[R2]分别为连线电感与连线电阻，[U1∠φ1]和[U2∠φ2]分别为两个逆变器的输出电压，母线交流电压为[U∠0°]。

分析式（6）可知，如果要使逆变器间的功率为2∶1，逆变器间的等效输出阻抗比应该为1∶2。现实中受到外部环境等因素影响，逆变器要满足等效阻抗的比例是很难的，传统下垂控制的逆变器输出无功偏差可达20%。

2 虚拟阻抗设计

加入虚拟阻抗后的电压电流双闭环控制系统框架如图3所示。

在图3中，电压参考值[Uref]已给定，[U0]为逆变器输出电压，[i0]为逆变器输出电流，[ku]为电容电压回馈系数，[ki]为电感电流回馈系数，KPWM为逆变器增益。

选取合适的阻尼负电阻[Rv]，以保证系统的稳定性，同时调整[Lv]的值。当考虑功率解耦时，式（14）的虚拟电阻[R]远小于虚拟电感[X]。工频[Tf]很小，可以忽略。[GInv（s）]为闭环传递函数，[ZInv（s）]为输出阻抗传递函数，在工频处闭环传递函数输出值为1，阻抗传递函数输出值为0，因此在工频处可简化为：

4 仿真验证及分析

在MATLAB 2016b/Simulink上搭建逆变器并联仿真模型，首先搭建容量相同的并联运行仿真模型，仿真主电路参数如表1所示。

当线路阻抗呈阻性时，加入虚拟负阻抗的下垂控制与只含虚拟电感的下垂控制相比，进一步降低了有功与无功耦合程度，功率均分和环流抑制效果得到了明显改善。

搭建逆变器容量比为2∶1的并联运行仿真模型，主电路参数如表2所示。

由图7中仿真波形可以明显看出，当线路阻抗呈阻性时，传统下垂控制中有功与无功耦合严重。因频率具有全局性，因此有功可以实现以2∶1比例合理分配，而无功功率无法实现合理分配。

由图9可以看出，当线路阻抗不一致时，加入虚拟负阻抗的下垂控制与含虚拟阻抗的下垂控制相比，无功功率分配精度进一步提高。

5 结语

通过分析微网中两台三电平逆变器并联系统，根据相同容量与不同容量的传统下垂控制及改进下垂控制仿真结果对比可以看出，使用传统下垂控制会造成无功功率分配不良，偏差高达20%，而改进后的下垂控制算法逐步提高了无功功率分配精度，进而提高了输出的电压质量。

通过对下垂控制算法的研究，对其在智能微网中的应用有了更深的认识。在研究过程中发现，智能微网中的母线电压会出现一定跌落，而母线电压对输出电压的质量稳定也十分重要。虚拟阻抗的下垂控制算法会造成母线出现较大跌落，虚拟负阻抗的下垂控制算法虽然可以减小母线电压的跌落，但并没有完全将其消除，接下来应进一步优化下垂控制算法，以消除母线电压跌落对电能质量的影响。

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（责任编辑：黄 健）