基于PQ下垂控制的逆变器并联系统仿真研究

朱永祥，肖强晖，童圣骁

（湖南工业大学 电气与信息工程学院，株洲412008）

0 引 言

随着太阳能光伏并网发电日益发展，多台逆变器并联运行，成为光伏并网发电的关键技术之一，是近几年研究的热点.逆变器并联控制主要有：集中控制、主从控制、分布逻辑控制和无连接线控制等方式.无连接线控制方式利用PQ下垂外特性，省略并联系统逆变器模块间的连接线，适用于相隔较远的分布式光伏发电系统.但并联系统的参数变化时，逆变器间环流问题尤为突出.

根据光伏并网系统的需要，考虑逆变器输出线路电阻的存在，本文对传统的PQ下垂外特性进行改进，通过系统建模和MATLAB／Simulink仿真进行了验证.

1 无连接线控制工作原理

目前的逆变器无连线方案都是基于传统的PQ法下垂特性，实现一个逆变单元与其它并联的逆变单元互不影响，实现有功功率P和无功功率Q的均分.各并联单元之间无电气连接线，安装、维护更方便，运行可靠.

在具体的控制实现上，则是由采样输出电压Vo与输出电感电流Io，计算P与Q，再通过下垂控制算法获得新的频率ω与幅值V，合成新的电压信号v＝Vsin（ωt），最后与给定的输入信号比较，形成并联系统控制的偏差信号.

传统功率下垂特性忽略逆变器输出线路电阻效应，当调整P时会影响输出电压的幅值，调节Q时会影响输出电压的频率，会造成系统的正反馈，不能较好地解决逆变器间环流问题，导致系统运行可靠性降低.

2 功率下垂特性的改进

根据光伏并网系统的需要，其线路电阻效应是不容忽略的，必须对传统的PQ下垂特性曲线进行修正.

图1 两台逆变器并联运行系统等效模型

两台逆变器并联运行的等效模型如图1所示.设逆变器i（i＝1、2为逆变器模块的序号）的输出电压为Uoi∠φi，负载端电压为Uo∠0°，输出阻抗为Zi＝Ri＋jXi＝Z∠φ，输出电流为：

逆变器并联系统环流定义为：

可见系统环流产生的直接原因是各台逆变器输出电压幅值、相角有差别，调整输出电压的频率和幅值，减小系统环流，每台逆变器才能实现均流运行.

逆变器i输出的复功率为：

由式（1）、（3）可得：

采用矩阵T将P、Q分别改进，改进后的P、Q定义为：P′、Q′，则由式（5）得：

则可将式（5）改写为：

可以看出逆变器输出电压的相位仅取决于P′，幅值仅取决于Q′.设f0为逆变器空载频率，kp为频率衰减系数，kQ为电压幅值衰减系数，因此可将传统的PQ下垂特性改进为：

改进后两台不同容量的逆变器并联下垂特性曲线如图2所示为.根据各逆变单元的实际P′、Q′值，可对各单元的频率和电压幅值进行调整，从而始终保持下垂斜率相等，实现负载电流的均分和环流抑制.

图2 两台不同容量的逆变器并联下垂特性

3 仿真系统实现

3.1 系统控制结构

逆变器并联系统中各模块以自己的有功功率P和无功功率Q为计算依据，调整输出电压的频率和幅值，使得每台逆变器实现均流运行.系统中逆变器模块一般采用传统的电流内环、电压外环等复合控制结构.改进后的逆变器控制结构如图3所示.

图3 基于P′Q′下垂控制的逆变器控制结构图

3.2 P′Q′功率下垂控制器设置

根据前文分析可知，P′Q′下垂控制器设置原理图如图4所示.

图4 P′Q′下垂控制器设置原理图

4 仿真结果及分析

在MATLAB／Simulink中的元件库中，建立逆变器无连接线并联控制方式的模型，并进行系统仿真.

4.1 仿真参数设置

逆变器参数设置：输出电压AC 220V／50Hz，输出容量为3kVA，开关管全部选用IGBT，开关频率为20kHz，输出滤波电感为10mH，滤波电容为10μF，负载为22Ω纯电阻.

控制模块参数设置：电流内环采用PI控制器，系数分别为Kp＝0.1，KI＝50；电压外环采用PI控制器，系数分别为Kp＝0.1，KI＝600.

4.2 仿真结果

在逆变器输出阻抗等参数变化时，仿真得到系统环流iH＝io1－io2波形，如图5所示.

图5 逆变器系统环流波形

5 结 语

根据分布式光伏发电并网系统的特性，考虑逆变器输出线路电阻引起并联系统较大环流，本文对传统的PQ下垂外特性进行改进，得出一种适用于光伏并网系统的无连线并联方法，并进行了仿真.仿真结果表明该方法在逆变器参数变化时，能较好地解决逆变器间环流问题，使得整个并联系统效率达到最优化目标.

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