基于下垂控制的多环反馈控制器设计

文/程立 田斐

1 引言

微电源发出的电能必须经过转换才能输送给用户使用，在此过程中涉及到了逆变技术，如何控制逆变器使输出的电能达到要求对于微电网的运行很重要。下垂控制是模拟传统发电机中有功功率与频率之间和无功功率与电压之间的下垂关系来控制逆变器。

当电网侧的功率因数角非常小的时候，电压和频率与输出的功率可以用下垂特性关系式（如式1）表示。利用这一特性可以实现对电压和频率的控制。原理如图1所示，检测单元测出逆变器输出的功率P和Q，通过式1得到输出电压频率和幅值的参考值fref和Uref。

2 基于下垂控制的多环反馈控制器设计

2.1 总体设计

基于下垂控制的多环反馈控制器由两部分组成，开环部分包含微电源、逆变器、滤波器、负载和馈线，把直流微电源变成交流电供给负载Zi使用，Lfi、Cfi和Rfi构成的滤波器可以滤除逆变器产生的谐波。控制器部分由功率测量模块、下垂特性功率控制模块、电压电流双环控制模块和SPWM调制模块组成。功率测量模块采集到负荷点的电压U1dt和逆变器输出的电流i1dt并计算出此时的功率，然后传递给下垂控制模块，由式1的下垂关系式得到的作为电压环的参考电压，经电压环得到的作为电流环的参考电流，分别与负荷点电压U1dt和滤波器的电容电流iCi作比较，经电流环控制模块后得到可控正弦波调制信号，用来控制逆变器的输出。

图2：有负载变化时逆变器输出的电压、电流、频率波形和有功功率

2.2 滤波器设计

为了滤除SPWM控制逆变器模块中的IGBT器件在开关时会产生的额大量谐波，需要在主电路中加入滤波器模块。考虑到LC滤波器容易发生谐振，因此在设计时加入了滤波电阻。工程中，LC滤波器的截止频率必须比最低次谐波的频率小得多，还要求比基波频率大很多才能达到要求。在设计时需要遵循以下原则：

由式2可以确定滤波器截止频率的取值范围，一般情况下，选择取值范围的中间值来计算滤波器的参数。在设计时，还要让滤波电感上电压不能低于系统电压的3%。通过计算，得到滤波器的参数Lf=0.6mH，Cf=1500μF，Rf=0.01Ω。

2.3 功率测量模块设计

下垂控制中需要知道电网侧的电压和电流，并且要把采集到的三相坐标系下的母线电压和电流经过派克变换转换成旋转正交坐标系下，由式3

设计出abc-dq转换模块，得到旋转正交坐标系下的ud、uq、id、iq，再由旋转正交坐标系下功率计算公式

可以得到得到逆变器输出的功率瞬时值。

2.4 下垂控制模块设计

上面的功率测量模块得到了有功功率P和无功功率Q，由式5所示的公式计算出下垂系数m=1×10-6，n=3×10-5。

下垂控制模块得到电压和功率的参考值后，根据式6把它们合成三相电压。

2.5 电压电流双环控制器设计

为了减小负荷变化引起的扰动对逆变器输出电压产生的影响，加强对控制的快速响应，以及必须让逆变器的输出阻抗呈感性从而减少有功和无功控制受线路的耦合程度，特引出了电压电流双环控制器的设计。

在电压电流双环系统中，电压环为外环，Uref是它的参考电压，逆变器输出端的电压作为被控量，采用PI调节器以稳定输出电压。Iref是内环电流环的参考电流，考虑到如果采用电感电流作为反馈会导致外特性较软，容易受到线路参数的影响而导致采样精度不高，放弃了使用电感电流而选择电容电流作为电流环的控制量，电流内环主要是为了提高响应速度，选择P调节器。

3 结果分析

选 择Udc=800V，fn=50Hz，fs=6000Hz，滤波器的参数为Lf=0.6mH，Cf=1500μF，Rf=0.01Ω，接20kW的负载。在下垂控制的作用下，微电网分布式电源输出的电压和相角被稳定在下垂控制器产生的参考电压和相角，频率也更加稳定的表现为参考值，而且能够使系统在有扰动状态更快的稳定下来。

模拟负荷突变的情况，在主电路中加入一个断路器和一个相同的负载，断路器设置为在0.3s时闭合，增加负载；在0.6s时断开负载。

由图2可以看出，当有负荷突变时，逆变器输出的电压几乎没有发生变化，频率只是由50Hz变成了49.98Hz，波动很小，达到要求，说明该系统具有很强的稳定性。在增加负载后，负荷变了，微电网的功率输出需要重新分配，故逆变器输出的功率在0.01s内已经变成新的值，说明该系统的响应很快。