基于相位补偿的并网逆变器改进下垂控制策略研究

程 琳， 都小利， 田 彦

(1.国网安徽省电力有限公司培训中心， 安徽 合肥 230022； 2.安徽电气工程职业技术学院， 安徽 合肥 230051)

0 引言

近些年，分布式发电技术已经广泛应用于光伏新能源发电中[1]。光伏发电通过一个低电压分布式微电网络与区域电网相连，是基于功率电子变换器的电压源型逆变器。对于逆变器的控制需要考虑许多方面的因素，例如各逆变器之间的有功、无功和谐波功率均分问题，如何提高电能质量，如何处理不同负载情况等[2]。

目前常用的分布式发电与区域大电网并网的控制方法是下垂控制方法。该方法应用在分布式发电与汽轮、水轮同步发电机的大电网并网控制策略中[3]。然而，下垂控制忽视了分布式光伏发电接口逆变器馈线阻抗对系统运行的影响，当微电网中各分布式光伏发电的距离比较远，并且当馈线阻抗比较大时，馈线阻抗对系统运行的影响就不能被忽视。又由于各分布式光伏发电组的不同特性，相互的馈线阻抗的阻抗特性也有不同，因此各分布式光伏发电站之间的输出功率便会彼此耦合，下垂控制无法保证当分布式电源接入大电网后的电网稳定运行状态[4]。此外，同一个微电网中不同分布式光伏发电的输出阻抗与馈线阻抗的不平衡也会导致微电网负荷在不同分布式光伏发电间不能够按容量比例分配[5]。

为弥补下垂控制的不足，文献[6]提出了一种增大下垂系数的控制策略来改进并联接口逆变器的功率分配特性，这种方法是通过调节下垂系数来影响系统的稳定性，然而这种方法的实用性较差，也无法防止接口处的输出电压存在较大的偏差。文献[7]的改进策略是在传统的下垂控制中引入电压幅值的反馈控制，从而减小不同接口逆变器输出电压幅值的不同，并根据分布式电源的容量比例来分配无功功率。目前大多数学者的研究改进方法大多是针对无功功率进行的调节，且大部分的改进策略需要在各分布式发电间传递大量的实时数据，并进行实时的计算，这很难实现有效快速控制和调节。因此，本文在微电网与区域电网并网能量控制模式下，提出了基于相位补偿的改进下垂控制，并在线性负载以及非线性负载条件下，分别考虑了系统有功和无功功率的均分情况以及电压/频率的协调控制策略，仿真分析验证了所设计策略的有效性。

1 下垂控制策略

下垂控制是将同步发电机并网控制策略引入到分布式电源与区域大电网的逆变器接口控制中，通过利用输出电压的频率与幅值来控制逆变器输出的有功无功功率。在孤岛运行的微电网中，下垂控制主要是基于传输阻抗为感性的情况进行设计的[8]，下垂特性如图 1所示。

(a)P-ω下垂特性 (b)Q-E下垂特性图1 下垂特性曲线

图1中ω*、E*为大电网系统在空载运行时的电压与角频率，下垂控制中的输出电压与输出功率之间的公式为：

(1)

其中，ω、E分别为变流器输出电压的额定频率和幅值kp、kq分别为P-ω和Q-E下垂控制系数，P*和Q*分别为变流器输出的额定有功功率和无功功率。图2为下垂控制的原理框图。

图2 下垂控制的原理框图

图2中两电平VSI为三相两电平全桥逆变电路；Lf、Cf为LC滤波电路；Zline为微电网到区域电网PCC点馈线阻抗；Io、Uo为逆变器的输出电压与输出电流；Vabc为调制信号。下垂控制是首先通过电压电流检测模块分别测量逆变器的输出电压Uo与输出电流Io，并计算输出的有功无功功率。然后根据下垂控制的有功频率下垂特性与无功幅值下垂特性计算逆变器的输出参考电压Uref。最后利用电压电流环控制器进行调节，使输出电压实现对输出参考电压的零稳态误差跟踪。因此，为了使在下垂控制中可以根据输出电压的变化情况，对有功进行自动调节，并在无通信的情况下实现对输出功率按容量比例分配，笔者在设计中增加了微电网与区域电网并网过程中的功率控制模块。

2 微电网与区域电网并网中的功率控制

在分布式光伏发电并网过程中，由于负荷波动和分布式光伏发电输出功率的波动，使得大电网的频率受到影响。为保证系统运行的稳定性，利用负荷和光伏发电的预测信息，根据可能发生的情况预先安排光伏发电和发电机的发电计划。微电网与区域电网并网中的功率控制系统是在区域大电网的频率还没有波动时，它能够提前动作，从而减少可能发生的有功功率供需之间的差异，保证大电网系统的频率稳定，该结构如图3所示。

图3 微电网与区域电网并网功率控制结构图

图3中的功率分配模块是微电网与区域电网并网功率控制结构中的关键。功率分配模块的主要功能是通过负荷预测信息以及分布式光伏发电的预测信息并与混合发电系统的产出功率一起实现大电网的频率协调控制。该模块利用负载和光伏发电的预测信息，使输出功率被重新分配，使得光伏发电和传统的柴油发电机尽可能地跟踪预测负荷值的变化。也就是说，通过预先规划未来大电网的发电计划，使得柴油发电机和光伏发电可以提前动作，减少可用电力供需之间的差异，从而减小可能出现的大电网的频率波动。功率分配的目标是让可再生能源在尽可能多地发电的同时最小化有功电源和需求之间的差异的绝对值。图4是分布式光伏发电功率传输图。

图4 分布式光伏发电功率传输图

在图4中，E1∠φ1与E2∠φ2分别为光伏DG1、光伏DG2的输出电压，Z1∠θ1与Z2∠θ2分别为光伏DG1、光伏DG2接口逆变器与PCC点间的系统阻抗，V∠θ为微电网PCC点电压，i1与i2分别是光伏DG1、光伏DG2的输出电流。以DG1作为分析，DG1视在输出功率为：

(2)

其中，P1为DG1输出有功功率，Q1为无功功率，有Z1∠θ1=R1+jX1，其中X1=ω1L1，带入式(2)得到：

(3)

从式(3)可以看出，为了满足下垂控制特性，逆变器输出有功功率P1应与微电网与区域电网的并网系统角频率ω成线性关系，从而可以分别对DG1、DG2进行下垂控制。

3 改进的下垂控制策略

在P-ω下垂控制中采用相位补偿，结构如图5所示。

图5中，逆变器的输出电压与大电网电压之间的相位补偿δ的值可以通过δp±δd计算得到。其中，δd为前馈增益kd的附加相位，δp为P-ω下垂控制所计算得到的相位。图6是整个并网控制系统的描述框图。

图5 相位补偿的P-ω下垂控制

在图6所示的光伏发电与大电网并网的频率控制框图中，电网频率分别经过了下垂控制模块和频率控制模块进行二次调节。对于下垂控制模块，GLPF(s)为低通滤波器，其截止频率为5 Hz。在频率控制模块中，分布式光伏发电的频率信号通过采用增益为τ的PLL一阶传递函数GPLL(s)提取，且通过PI控制器Gfsec(s)来补偿整个大电网系统的频率偏差。另外，附加相位偏移环路中的比例增益kd用于增强有功功率控制环路的稳定性并抑制功率振荡。根据图6所示的控制框图，能够得到ω传递函数表达式为：

(4)

将频率ω与参考值ω*相比较，并且信号的差值由PI控制器处理并发送到每个分布式光伏发电单元，从而实现频率补偿。类似地，电压幅值E与参考值E*进行比较，并且将差值信号通过PI控制器处理后传输给各个分布式光伏发电单元，从而消除了下垂控制引起的电压幅度稳态误差。

4 仿真分析

光伏发电系统接入10 kV电网模型，电网等效系统的额定电压为10 kV，额定频率为50 Hz，最大短路容量为10 000 MVA，最小短路容量为8 000 MVA。光伏发电的额定电压为400 V，额定频率为50 Hz，额定输出功率为0.1 MVA，额定功率因数为0.8，储能电池的额定电压为400 V，额定频率为50 Hz，额定容量为125 kWh，额定功率为0.5 MW，额定功率因数为0.8，发电机额定电压为400 V，额定频率为50 Hz，额定输出功率为0.1 MVA，额定功率因数为0.8。变压器 0.4/0.69 kV的额定变比为0.4/0.69 kV，额定频率为50 Hz，额定容量为1 MVA。变压器0.69/10 kV的额定变比为0.69/10 kV，额定频率为50 Hz，额定容量为2 MVA，通过10 kV/0.69 kV变压器连接在中压母线上。在t=1 s时并联一个非线性负载84 μH、460 Ω和235 μF，在t=2 s时断开。图7为系统采用控制前后的电网输出电压幅值和频率的仿真波形图。

(a)未采用控制的电压幅值仿真波形

(b)未采用控制的频率变化仿真波形

(c)采用控制的电压幅值仿真波形

(d)采用控制的频率变化仿真波形

对比图7中(a)、(b)与(c)、(d)可知，未采用控制的电网系统在正常稳态运行时存在由下垂控制造成的0.01 Hz的频率偏差，当负荷突然断开或者分布式光伏电源突然断开时，输出电压的幅度和频率也都会出现一定的降低。然而采用本文所述的微电网与区域电网并网中的功率控制系统后，系统在正常稳态运行时的电压幅值和频率均为额定值，当负荷突然发生变化及光伏发电断开时刻的系统电压幅值和频率均能在1 s左右恢复至额定值。

5 结论

下垂控制可以在分布式光伏间无互联的情况下进行功率分配，但是由于馈线阻抗不平衡等环境因素的影响，下垂控制很难实现各分布式光伏间按容量比例分配策略。本文针对电网系统在线路阻抗不均和负荷突变的工况下，按照微电网与区域电网并网时能量流动特性，提出一种增强型功率均衡并网控制策略。在对每一级分布式光伏并网控制中，采用基于相位补偿的改进型下垂控制策略，实现对系统的电压幅值和频率的补偿控制，从而保证系统的电能质量。仿真结果表明采用提出的改进控制算法后，在负载突变及光伏发电断开时刻的系统电压幅值和频率均能在短时间恢复至额定值。