光伏微网并网逆变器下垂控制策略改进研究

韩 庆，施伟锋



光伏微网并网逆变器下垂控制策略改进研究

韩 庆，施伟锋

（上海海事大学物流工程学院，上海 201306）

传统下垂控制策略广泛应用于光伏微网并网逆变器控制，但是没有考虑在低压微网系统中由于线路阻抗比较大引起的功率耦合问题，以及多个微电源供电时系统功率分配不均衡问题。针对这些问题，本文在传统下垂控制基础上，应用坐标变换对有功功率与无功功率进行耦合控制，又通过在电压电流环之中加入虚拟动态阻抗环，提出一种基于电压-电流-阻抗三环控制的光伏微网并网逆变器控制策略。该策略随电压电流的波动而改变虚拟阻抗值，合理分配系统的有功和无功功率，在系统稳定时自动切除虚拟动态阻抗，减小系统的功率环流和线路的损耗，同时限制系统的电压降落，提高电网的电能质量。最后，仿真实验验证该改进控制策略的有效性和可行性。

光伏微网 下垂控制 虚拟动态电阻 功率分配 并网逆变器

0 引言

随着全球能源危机的日益加重，环境污染问题日渐突出，作为应对措施之一，新能源发电技术在现代电力系统中得到广泛应用，由不同分布式电源组成的微网系统的研究被国内外专家学者广泛的关注[1]。微网是由分布式电源、负载、储能装置、能量转换装置、监控和保护等装置组成的小型发配电系统。目前，如何提高微网并网运行功率平稳性和并网的快速性成为微网研究的热点问题之一[2]。

下垂控制是实现多个微电源并网供电的主要控制策略，由于只需要检测逆变器的运行情况，无需逆变器之间的通讯联系[3]，所以下垂控制策略被广泛应用于并网逆变器的对等控制中。微网线路较短与线路电压等级较低的特点决定了其感抗与电阻为同一数量级，无法与长距离输电线路一样作等效处理，传统的下垂控制在微网系统中直接应用有功功率与无功功率控制，这必然会引起有功功率与无功功率之间的耦合问题，从而导致微网系统运行的不平稳以及不同微电源之间有功功率与无功功率分配不平衡的问题[4]。文献[5]是基于虚拟同步发电机思想的微网逆变器电源控制策略研究，实现了微网并离网的无差控制，但是该控制策略的建模过程需要运用电机的转子运动方程和电机的机械方程，这样使得建模过程复杂，不利于快速实现。文献[6]提出虚拟频率—电压下垂控制方法，这样可以实现低压微网功率的合理控制，但是其控制方法较为复杂，虚拟值的设定存在一定的技巧性，在实际工程中难以复现。文献[7]提出了P-f、Q-V下垂控制，但是该方法只适用于线路电压等级较高的系统，现行分布式微网系统一般不满足这样的条件。文献[8]采用了增设虚拟阻抗的方式，在逆变器输出端口到公共并网节点之间增加虚拟电感值，使线路呈现电感特性，以此来解决功率耦合的问题，但是要实现该控制策略最好的办法是增加大数量级的电感，而这样将导致系统的电能质量下降，同时带来谐波次数增多、谐波强度增大的问题。文献[9]提出了通过设计逆变器参数来实现逆变器输出端口等效为电感特性的方法，但该方法在一定程度上受电压、电流控制器参数的限制。文献[10]提出了虚拟负阻抗的概念，即根据低压线路的特性对线路参数进行等效阻抗设计，以实现逆变器并网运行条件下的功率均衡控制，此方法有效避免了因线路阻抗特性带来的功率分配不平衡问题，但是在响应时间快速的同时系统波动性增大，在系统趋于稳定时，仍然存在阻抗引起的不同微源逆变器之间的功率环流问题。

本文针对上述问题，采用三环控制方法，在低压微网三相逆变器的下垂控制策略中引入虚拟动态阻抗，应用线路阻抗参数对功率进行坐标变换，耦合后分别对电压、电流进行控制，同时在内外环控制之间加入虚拟阻抗，来降低电压电流的波动，实现系统功率的平衡分配，保证系统的稳定性。

1 传统下垂控制策略

由电机学原理得到同步发电机的有功功率和无功功率方程为式(1)和(2)所示：

各逆变器单元检测到输出功率，通过下垂特性得到输出电压频率和幅值的指令值，然后反馈微调各自电压的频率和幅值以达到系统所需要的有功功率与无功功率的分配值。

2 功率耦合下垂控制策略

图1逆变器功率传输示意图

由图1所示逆变器传输等效示意图可以得出，逆变器输出的无功功率及有功功率可以改写为:

将式(5)和(6)代入式(3)和(4)得：

由式(7)和(8)得角度与幅值的表达式：

由上述公式及原理可以推导出在低压有阻抗的微网系统下的下垂控制表达式：

图2 PQ-fU下垂控制框图

上述功率耦合控制考虑了低压微网输电线路阻感比较大的特性，该改进策略可以自动跟踪功率参考值，可以实现对低压微网系统电能质量的有效控制，相对于传统的下垂控制策略，它降低了线路参数的敏感性，以维持逆变器输出电压和频率的稳定。

3阻抗-电压-电流三环改进下垂控制策略

图3 改进下垂三环控制框图

3.1 电压电流双闭环设计

微网逆变器表现为电压源特性，为整个微网系统提供电压和频率支持，可以通过控制虚拟阻抗值来实现负荷功率在并网系统中的合理分配。

本文采用电压电流双闭环控制，在电压环与电流环之间加入求解线路阻抗的反馈控制环节，如图4所示。

图4 电压电流双环控制原理图

通过图4电压电流双闭环控制的模型可以得到：

由上述公式，在低压微网中考虑线路的阻感特性推导可得：

3.2 虚拟动态阻抗设计

虚拟阻抗可以保证每个微网电源的输出功率均衡化，这是实现下垂控制策略的必要条件，其它的改进下垂控制策略的虚拟阻抗为静态值，本文提出的是动态虚拟阻抗方法。在多个微电源系统中，有功功率分配关系如图5所示，功率调节最终到达C点。

图5 虚拟动态电阻下两个微电源功率分配图

应用图3的控制方式增加虚拟阻抗时，得：

通过式(15)和(16)可得出输出电压：

引入基于等效输出阻抗光伏微网逆变器模型如图6所示。

图6基于等效输出阻抗的逆变器模型结构图

由图6可得逆变器输出的等效阻抗值：

考虑到微网系统在不同运行模式下其线路参数是不确定的，虚拟阻抗值不能准确获得，故而引入动态虚拟阻抗值。其表达式为：

在系统调节过程中，电流随时间变化，引起阻抗值的变化。式(18)和(20)联立求解得出输出电压与动态阻抗值的关系式：

引入动态虚拟阻抗值逆变器输出阻抗值为：

当系统趋于稳定时，动态虚拟阻抗值也趋于稳定。电压环采用比例积分负反馈控制；电流环采用比例反馈控制。在系统额定频率运行时，逆变器的输出阻抗为电阻特性。此外，由于引入系统负反馈调节，克服了传统下垂控制中下垂系数和线路阻抗对电压降的影响。

4 仿真验证

4.1系统仿真设计

为了验证该改进三环下垂控制策略的有效性，在MATLAB/SIMULINK环境下搭建仿真模型，模型包括光伏与蓄电池两个微电源。应用66片光伏电池板模拟小区微网光伏供电系统，光伏系统最大功率设计为100 kW；应用理想直流电压源来模拟蓄电池，其直流电压为800 V，不考虑其充放电控制策略问题，大电网侧为25 kV区域电网结构。其各参数值如表1所示。

4.2 仿真结果和分析

图7所示为引入的动态虚拟阻抗值，从图中可以看出，在微网刚接入大电网时，由于线路阻抗比较大的原因，虚拟阻抗值较大，如图8局部图像所示。系统平稳时，动态阻抗值会随着降低直至全部切除，保证了系统功率的平衡分配。

图7 虚拟阻抗值

图8虚拟阻抗局部图像

图9 微网电压频率

图10 网侧电压频率

图11和图12所示为系统电网侧的电压电流，从仿真图可以得出，系统的电压基本保持不变，在系统调节过程中，系统的电流发生震荡，虚拟电阻正是通过电流的影响来实现动态变化。

图11 大电网电压

图12 大电网电流

图13和图14分别为光伏电源提供的功率和蓄电池提供的功率。动态虚拟电阻的加入使系统的功率分配更加平衡，系统稳定时，各个电源提供的功率基本保持不变。其中无功功率主要来源是蓄电池提供，如图15所示。由于动态虚拟阻抗的加入，解决了不同微源之间功率环流问题，抑制了线路的损耗。

图13 光伏电源输出的有功功率

图14 蓄电池提供的有功功率

图15 蓄电池提供的无功功率

5 结语

本文通过对传统下垂控制策略的分析，在有功功率和无功功率耦合控制的基础上，设计了微网线路增设虚拟动态阻抗的电压-电流-阻抗三环控制方法。在系统稳定时，虚拟动态阻抗值趋于恒定，系统功率分配更加均衡，系统频率电压电流更加稳定，并网运行时，光伏微网对大电网的冲击作用减弱。仿真结果验证了本文的改进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

韩庆(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：电力系统及其自动化。