光伏分布式发电中多逆变器并联技术分析

广州城市电力工程有限公司 何 政

以光伏电源是否独立运行可划分为独立并联结构、公用并联结构两类。本文以我公司某光伏发电项目为例，对光伏分布式发电中多逆变器并联技术进行分析。

1 光伏分布式发电中多逆变器并联控制方式

1.1 有联络线并联

光伏分布式发电中，多逆变器采用有联络线并联控制方式时具有三种形式。

集中控制形式。其会通过一个集中控制装置实现控制连接其他逆变器，且可以向所有逆变器同步发出脉冲，再使用锁相环控制各逆变器电压，确保基准值达到脉冲要求，集中进行各逆变器输出电流的处理，调节其输出电压的实际幅值。

主从控制形式。是指在多逆变器并联的系统中，将其中一台设置为主机对系统电压进行控制，而其余逆变器设置为从机对系统电路进行控制。该形式下的主机逆变器会对负载电压值进行调节，并基于并联系统的逆变器数量平均分配负载电流，从机逆变器则是跟踪电流基准。

分散逻辑控制形式。是指将中心控制逆变器的功能分配到各个分散的逆变器中，要求每个逆变器都能协同控制负载电压，提高系统冗余度，逆变器之间的信息传递通过总线实现，再通过比较调节到均载状态，实现功率和电流的平均化控制。

1.2 无联络线并联

光伏分布式发电机制采用有联络线方式并联控制多逆变器时，可能会出现某个逆变器借助互联线获知其余逆变器重要信息的情况，这也容易造成单点故障隐患，为了改善这种情况，有学者研究出电力线通信的无联络线并联控制方式，其是将电力线当作传播信号的载体，多个逆变器信息都会借助扩频芯片将信息传送到交流母线上实现信息叠加，同时也会遵循特点通信规则来传播信息。简单来说，就是母线上的信号信息分离处理后共享给各个逆变器，其原理与分散逻辑控制较为相近，有利于提高控制系统的稳定性，减小功率均分的偏差，但这种方式运用的调制芯片会增加经常成本，同时相关交流输出信号的母线上电压输出波形质量有所降低，系统的抗干扰特性变弱，导致电磁兼容性也存在不足，还有待进一步改善。

1.3 下垂特性控制

对于逆变器并联系统开展建模分析后不难发现，逆变器之间输出阻抗条件下都表现为电感性，同时电位相位同输出功率之间有着一定联系，基于该项规律，下垂特性控制方式被提出，其特点是基于输出电压均衡，能够对无功功率进行调节，通过电压频率的调节也能调节相角差，实现有功功率有序分配。这种并联控制方式也无需在逆变器间设置联络线，且逆变器布置的距离不会受到限制，避免了单点故障情况[1]。光伏分布式发电系统中，在多逆变器中按照下垂特性进行控制以及测量，能够保证交流输出母线得到连接，从而完成有功/无功功率测定，在依据下垂控制原理对逆变器电压、相位以及频率进行调节后，保证负载合理分配，确保并网后稳定运行。

2 基于下垂特性控制的多逆变器并联控制策略

基于我公司某光伏发电项目的技术经验，采取下垂特性控制下并联策略，能够保证系统性能的稳定，支持并网稳定运行。具体技术要点如下。

2.1 双环控制策略

2.1.1 下垂特性控制

本文以两台逆变器并联为例，使用LC 滤波器将高频毛刺滤除，再将线路和交流母线进行连接，其中K1和K2作为输出继电器对发电单元控制，负载值为Z1。因此可得到逆变器（i）的输出电流（I）为：Ei∠φiU∠0°/（ri+jXi）、Si=Ei∠φi×I*oi=Pi+jQi， 其中：I表示逆变器输出电流，Ei∠φi表示逆变器空载的输出电压，U∠0°表示并联母线电压，X表示输出感抗，φ表示输出电压以及母线电压存在的相角差，r表示电阻。Pi表示有功功率，Qi表示无功功率。因此可进一步得出：Pi=1/|Zi|（（UEicosφi-U2）cosθi+UEisinφisinθi）、Qi=1/|Zi|（（UEicosφi-U2）sinθi-UEisinφicosθi）、同时又由于式中的φi值很小，sinφi≈φi，cosφi≈1，因此得出：Pi≈UEi/Xiφi、Qi≈U/Xi（Ei-U），式中：Pi表示有功功率，Xi表示输出与线路感抗之和，Ei表示逆变器输出电压幅值，φi输出和母线电压之间相角差，U表示输出电压。Qi表示无功功率。

因此可知，有功功率变化受到输出电压相角差变化的而影响，无功功率受到输出电压变化的影响。调节有功功率可同时对对角频率进行调节，进一步调节电压相角差；调节无功功率也能对电压幅值产生影响。当逆变器输出阻抗呈电阻性或者电感性时，那么下垂控制方程如下：电阻性。电感性。式中：表示输出电压相角差，表示输出电压角频率，mi、ni表示下垂控制系数，Ei表示逆变器输出电压幅值，表示输出电压角幅值，Qi表示无功功率。

2.1.2 输出阻抗

通过选取系统参数能够控制逆变器输出电阻，电压控制环用于对输出电压波形进行控制，采取PI控制输出精度，输出精度更高。电感电流调节环用于对动态性能控制，采取P控制更能保证系统动态性。

逆变器会通过滤波电感输出，且电感值较大、电感感抗值较电阻值更高，在高压线路上感抗值较电阻值更高。线路阻抗比和电路电压存在密切关系，当电压等级不同时线路阻抗值也存在很大差异。低电压等级线路的线路阻抗比相对更高。高电压等级线路的电阻值较小，甚至可以忽略不计。在高压线路中电阻值远低于感抗值，而在低压线路中电阻值较感抗值更高。因此电压低的情况下输出阻抗表现为电感性，将线路阻抗加上输出阻抗等同于等效输出阻抗值。通过对各项参数的合理控制能够对输出阻抗进行设计，从而尽可能减小阻抗产生的影响。因此借助于虚拟阻抗值校正输出阻抗值，让逆变器呈电感性。虚拟阻抗来源于等效阻抗，通过闭环控制方法让等效输出阻抗达到系统预期特性。在工频条件下输出电阻忽略不计，逆变器呈纯感性。

引入虚拟阻抗后，电压参考值Ure和等效输出阻抗Zv(S)的关系为：Uref=U*ref-Zv（S）i0、Z*out（s）=（kps+ki）kekPWM/ΔZv（S）+Zout（s）=Ls，其中：ki和kp表示PI调节器积分和比例积分系数，ke表示P调节器的比例系数，kPWM表示逆变器增益，i0表示线路电流，Ls表示输出阻抗近似值，Zout（s）表示输出阻抗。

从系统环流和电压控制出发，逆变器输出阻抗为电感性，应保证并联分配功率满足要求，即输出阻抗同系统额定功率(含有功、无功)存在反比关系。根据输出阻抗表现为电阻性，可以消除环流以及电压偏差的影响，但输出阻抗和容量二者始终处于反比关系。

2.1.3 并联稳定性控制

对于发电系统而言，需要保证系统运行稳定性。计算输出功率公式为功率，Q表示无其功中功：率p表，v示 表瞬示时输功出率电，压P， 表i示表有示功输出电流，t表示周期。

方法一：将电流电压相乘获取瞬时功率值，计算一个周期的平均值得到平均功率；方法二：选择低通滤波器后，可将直流分量视作输出频率。

在方法一的条件下，周期内输出功率为统一参数，下垂特性调节周期为1次/周期，系统响应将花费更长的时间；在方法二的条件下，每周期都能完成相应的下垂调节，并联系统可以做出较快响应[2]。滤波器直流分量主要受到截止频率的影响，当截止频率处于较低水平能够达到更好的滤波效果，但会形成较长时间延迟，影响动态时效性。截止频率较高时会影响下垂控制的精确性，但动态性能有所提高。在控制策略中应用低通滤波器，低通滤波产生的延时较长，系统响应速度低，因此尽可能选择较大截止频率。逆变器电压幅值取决于输出功率，改善均流效果可能会造成电压频率和幅值的下降，因此在选择系数时着重于考虑负载达到最大工况下电压和频率能够满足要求。

2.1.4 谐波功率控制

逆变器输出电流中包含很多谐波，主要由于SPWM 控制方式产生高频谐波、输出阻抗的影响，或者受到整流负载条件下谐波电压和输出电压产生的影响。低通滤波器无法滤除逆变器输出阻抗上谐波电压，可能会造成输出电压出现畸变。逆变器并联系统若未重视对谐波的控制可能给系统带来较大损失，降低带载能力。谐波功率不同于线性功率分配，无法通过对逆变器的调节来实现均分，一般情况下输出阻抗呈感性，谐波阶次高所产生谐波电压幅值更高，会影响输出电压稳定性。线路阻抗可产生阻抗作用，当阻抗匹配，输出电压波形幅度小，逆变器运行过程中谐波功率可实现均分，无需考虑负载谐波均分。因此通过对外环放大增益的控制对输出阻抗进行调节，从而对谐波电流控制和分配，使得增益下垂减少，减少逆变器承担的谐波电流。

2.2 电压控制策略

2.2.1 引入虚拟复阻抗

电容和电感可形成滤波器，滤过高频毛刺，从而忽略感抗带来的影响，连接交流负载以及低压电路[3]。将开关周期进行缩短后，交流变量可瞬间达到平均水平，逆变器输出阻抗呈现出电阻性。

引入虚拟复阻抗后，在输出阻抗中表现为电阻性，即使在低频工况下仍可保证恒定状态。反之输出阻抗则表现为电感性，且出现更为敏感变化特征。在低频工况下的阻抗较小，引入虚拟复阻抗后输出阻抗值增加，在低频条件下输出阻抗值可见明显增加[4]。其中RD取值并非越高越好，随着RD值的增加将提高输出阻抗变化幅度。有研究围绕输出阻抗对于并联均流的影响进行分析得出，输出阻抗越大更能起到良好的均分效果。根据下垂控制法，相比于输出电压值，逆变器输出电压可能会产生电压降且电压降较大。可见为了让输出阻抗产生电阻性引入虚拟电阻并不可取。虚拟阻抗因同时涵盖了感抗和电阻，可能会出现输出电阻增加的情况，当感抗为负时表现出电容性，引起输出阻抗中感性分量的下降，在工频条件下可让输出阻抗呈现出纯阻性[5]。

2.2.2 电压控制

引入虚拟复阻抗，使用控制器进行精确计算，逆变器输出电阻为电阻性。采取下垂控制法主要对平均功率进行控制，所有输出有功功率和无功功率均经过滤波器的滤除才能得到有功功率和无功功率。使用滤波器有效滤除直流分量，在运作过程中负载处于动态变化状态，逆变器在这一情况仍可保证输出频率符合参考频率要求，从而对输出频率进行有效控制。给予虚拟复阻抗进行电压控制，能够让输出阻抗呈现纯阳性，保证逆变器电压稳定控制，下垂控制法能利用参数控制来控制输出阻抗的影响[6]。

综上所述，本文通过引入虚拟阻抗来改变逆变器输出阻抗，输出阻抗接近于滤波电感感抗，从而提高系统稳定性，通过采取下垂控制方式达到功率均分目的。在低压线路中，由于设置较大电阻值，高压线路电抗值较大，逆变器输出阻抗呈现出电阻性。在电压控制上，通过调整下垂控制法来保证输出阻抗呈纯阻性来改善逆变器并联的均流效果。