李 山，葉 鵬

(沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

一種改進(jìn)的微電網(wǎng)并聯(lián)逆變器下垂控制策略

李 山，葉 鵬

(沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

針對(duì)虛擬阻抗的引入會(huì)導(dǎo)致微電網(wǎng)逆變器輸出電壓跌落的問題，提出了一種改進(jìn)的微電網(wǎng)并聯(lián)逆變器下垂控制策略。首先，通過對(duì)基于感性虛擬阻抗的逆變器控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)以及感性虛擬阻抗變化對(duì)閉環(huán)傳遞函數(shù)影響進(jìn)行頻域響應(yīng)曲線分析，說明了改進(jìn)下垂控制方法的必要性。其次，通過下垂曲線分析提出基于虛擬阻抗電壓反饋的改進(jìn)下垂控制策略。最后，通過Matlab/Simulink進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明：所提出的改進(jìn)下垂控制策略不但可以解決逆變器輸出電壓降落的問題，而且提高了下垂控制的功率分配精度，維持了系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定，證明了所提出的改進(jìn)下垂控制策略的有效性。

微電網(wǎng)；下垂控制；虛擬阻抗；電壓跌落

隨著全球能源互聯(lián)戰(zhàn)略[1]的提出，微電網(wǎng)因具有微型、清潔、自治、靈活等特點(diǎn)[2]而備受人們的青睞。大力發(fā)展微電網(wǎng)事業(yè)將是我國(guó)未來電力能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)。分布式電源都需經(jīng)過逆變器并入交流微電網(wǎng)系統(tǒng)，因此，逆變器能否穩(wěn)定運(yùn)行將直接影響微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

微電網(wǎng)逆變器控制一般采用主從控制[3]以及對(duì)等控制[4-5]等方法。有關(guān)主從控制法已經(jīng)得到廣泛的研究，然而由于主從控制法自身的缺陷，使其在應(yīng)用上有一定的局限性[7]；對(duì)等控制一般以下垂控制為代表，因?yàn)橐韵麓箍刂茷榛A(chǔ)的逆變器并聯(lián)技術(shù)由于降低了對(duì)通訊可靠性的依賴而在微電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[6]提出了基于電壓電流雙環(huán)控制的下垂控制方法，并通過仿真證明了提出控制策略的可行性。文獻(xiàn)[7-8]在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上提出引進(jìn)感性虛擬阻抗來改進(jìn)電壓電流雙環(huán)控制策略，仿真結(jié)果表明通過引入感性虛擬阻抗可以減少系統(tǒng)環(huán)流；但是文獻(xiàn)[7-9]中未分析虛擬阻抗的引入導(dǎo)致的逆變器輸出電壓跌落問題；文獻(xiàn)[10]針對(duì)低壓微電網(wǎng)提出引入反饋感性阻抗的電壓電流雙環(huán)的下垂控制方法，并通過仿真證明了該控制策略的有效性和正確性，但同樣沒有分析虛擬阻抗的引入導(dǎo)致逆變器輸出電壓跌落及虛擬阻抗的變化對(duì)電壓跌落嚴(yán)重性的影響。

針對(duì)虛擬阻抗的引入會(huì)導(dǎo)致微電網(wǎng)逆變器輸出電壓跌落的問題，提出了一種改進(jìn)的微電網(wǎng)并聯(lián)逆變器下垂控制策略。首先，通過對(duì)基于感性虛擬阻抗的逆變器控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)以及感性虛擬阻抗變化對(duì)閉環(huán)傳遞函數(shù)影響進(jìn)行頻域響應(yīng)曲線分析。其次，通過下垂曲線分析提出基于虛擬阻抗電壓反饋的改進(jìn)下垂控制策略。最后，通過Matlab/Simulink進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，提出的改進(jìn)的下垂控制策略不但可以解決逆變器輸出電壓降落問題，而且可以提高下垂控制的功率分配精度，維持了系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定，證明了提出的改進(jìn)下垂控制策略的有效性。

1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

以2臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行為例，由分布式電源構(gòu)成的獨(dú)立微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。獨(dú)立低壓微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)由2個(gè)分布式電源、采用下垂控制策略的逆變器單元、LC濾波器、逆變器輸出阻抗以及負(fù)荷組成。其中，K1、K2、K3為隔離開關(guān)，主要用來控制分布式發(fā)電單元以及負(fù)荷的投切。在實(shí)際的研究中，為了簡(jiǎn)化研究對(duì)象，可將逆變器直流側(cè)的分布式電源等效為直流恒壓源。

圖1 獨(dú)立微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 感性虛擬阻抗的逆變器控制策略

獨(dú)立微電網(wǎng)中基于感性虛擬阻抗的下垂控制策略框圖如圖2所示。獨(dú)立微電網(wǎng)下垂控制策略工作過程如下：采集逆變器中輸出的經(jīng)LfCf濾波的三相電壓、電流，通過Park變換后利用功率計(jì)算模塊和下垂控制模塊計(jì)算出參考電壓的角頻率和電壓幅值，兩者通過電壓合成得到下垂控制電壓；然后，將下垂控制生成的電壓及反饋信號(hào)由電壓外環(huán)PI及電流內(nèi)環(huán)P控制，隨后將經(jīng)過雙環(huán)控制后的信號(hào)經(jīng)過PWM模塊生成PWM調(diào)制信號(hào)來控制逆變器的導(dǎo)通和關(guān)斷。

圖2 基于虛擬阻抗的下垂控制策略

2.1 下垂控制原理及特性

以2臺(tái)逆變器并聯(lián)為例，分析下垂控制的原理。逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的等效電路圖如圖3所示。

圖3 逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的等效電路

根據(jù)分析可知，逆變器輸出功率分別為:

(1)

(2)

1)當(dāng)獨(dú)立微電網(wǎng)逆變器輸出阻抗與線路阻抗之和呈感性時(shí)，公式(1)和公式(2)可化簡(jiǎn)為：

(3)

(4)

由公式可知，可以通過調(diào)節(jié)有功功率大小來調(diào)節(jié)輸出角頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)獨(dú)立微電網(wǎng)頻率的控制；通過調(diào)節(jié)無功功率來實(shí)現(xiàn)獨(dú)立微電網(wǎng)電壓幅值的控制。

2)當(dāng)獨(dú)立微電網(wǎng)逆變器并聯(lián)，系統(tǒng)輸出阻抗和線路阻抗之和呈阻性時(shí)，公式(1)和公式(2)可以化簡(jiǎn)為:

(5)

(6)

由公式可知，有功功率Pi主要與逆變器輸出的電壓幅值Ei有關(guān)，而無功功率Qi主要與逆變器輸出電壓相角差θi有關(guān)。

一般情況下，傳統(tǒng)微電網(wǎng)逆變器輸出阻抗和線路阻抗之和呈阻感性。因此，若利用P/f-Q/V下垂控制策略進(jìn)行逆變器的控制，則需在微電網(wǎng)獨(dú)立系統(tǒng)中加入感性虛擬電感，使逆變器輸出的阻抗和線路阻抗之和呈現(xiàn)感性。

基于P/f-Q/V傳統(tǒng)下垂控制方法的下垂控制特性曲線如圖4所示。

圖4 基于P/f-Q/V的下垂控制特性曲線

2.2 基于感性虛擬阻抗的電壓電流環(huán)控制設(shè)計(jì)

基于感性虛擬阻抗的電壓電流雙環(huán)的控制方案如圖5所示。為提高控制系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)的電壓電流雙環(huán)控制相比，此方案在引入感性虛擬阻抗的同時(shí)將電感電壓、電容電流的反饋引入到了電壓電流雙環(huán)控制中，使得逆變器輸出阻抗呈感性，滿足P/f-Q/V下垂特性。

圖5 基于虛擬阻抗的電壓電流雙環(huán)控制方案

由分析和計(jì)算可知，改進(jìn)的電壓電流雙環(huán)控制的閉環(huán)傳遞函數(shù)如公式(7)所示。

(7)

(8)

(9)

當(dāng)電壓電流雙環(huán)控制中引入感性虛擬阻抗時(shí)：

(10)

式中，

Z(S1)=Z(S)+Zv(S)G(S)

(11)

一般情況下，感性虛擬阻抗取Zv(S)=LvS。

基于感性虛擬阻抗的下垂控制逆變器各模塊的參數(shù)取值如表1所示。

將上述參數(shù)值帶入方程(8)、(9)、(11)中，可分別計(jì)算出未加感性虛擬阻抗時(shí)逆變器輸出等效阻抗Z(S)和傳遞函數(shù)G(S)的函數(shù)表達(dá)式以及引入感性虛擬阻抗后的Z(S1)表達(dá)式。分別對(duì)G(S)、Z(S)、Z(S1)進(jìn)行頻域響應(yīng)曲線分析，可得G(S)、Z(S)、Z(S1)的頻域響應(yīng)曲線如圖6所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)值

圖6 函數(shù)G(S)、Z(S)、Z(S1)的頻域響應(yīng)曲線

如上圖所示，當(dāng)電壓電流環(huán)控制系統(tǒng)中未加感性虛擬阻抗時(shí)逆變器輸出的阻抗Z(S)在工頻附近呈阻感性，不能滿足傳統(tǒng)P/f-Q/V下垂特性的要求；當(dāng)電壓電流環(huán)控制系統(tǒng)中加入感性虛擬阻抗后，在工頻附近微電源逆變器等效輸出的阻抗呈感性Z(S1)，滿足P/f-Q/V下垂控制策略的適用條件。

感性虛擬阻抗的引入可以提高逆變器控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和無功功率的分配精度。但是在實(shí)際過程中，感性虛擬阻抗選取的過大或過小都將影響P/f-Q/V下垂控制特性曲線。感性虛擬阻抗取值不同時(shí)，Z(S1)的頻域響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 感性虛擬阻抗變化時(shí)Z(S1)的頻域響應(yīng)曲線

如上圖分析可知，感性虛擬阻抗取值不同所對(duì)應(yīng)的幅值不同，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓跌落的情況也不同。因此，為了保證引入感性虛擬阻抗后逆變器輸出的電壓滿足負(fù)荷需求，則需要對(duì)Q-V下垂控制模塊進(jìn)行改進(jìn)。

3 基于電壓跌落的Q-V改進(jìn)下垂控制

為了盡可能滿足P/f-Q/V下垂控制特性的要求、削弱逆變器輸出阻抗的影響，以提高系統(tǒng)無功功率的分配精度，引入感性虛擬阻抗的取值應(yīng)當(dāng)越大越好。然而，在實(shí)際研究中，引入感性虛擬阻抗的數(shù)值過大將會(huì)導(dǎo)致逆變器輸出電壓的嚴(yán)重跌落。當(dāng)電壓電流雙環(huán)控制中未加入感性虛擬阻抗時(shí)：

(12)

式中，U為Q-V下垂控制曲線特性對(duì)應(yīng)的電壓。當(dāng)電壓電流雙環(huán)控制中引入感性虛擬阻抗后對(duì)應(yīng)的方程如下：

(13)

加入感性虛擬阻抗前后的Q-V下垂控制特性曲線如圖8所示。

圖8 引入感性虛擬阻抗前后下垂控制特性曲線的變化

如上圖所示，當(dāng)系統(tǒng)中未加入感性虛擬阻抗時(shí)，Q-V下垂控制特性曲線如a所示；當(dāng)系統(tǒng)中加入感性虛擬阻抗后，由于感性虛擬阻抗的存在導(dǎo)致系統(tǒng)電壓降落，Q-V下垂控制特性曲線如b所示，ΔU表示加入感性虛擬阻抗后系統(tǒng)的電壓降。因此，為了保證逆變器輸出電壓的穩(wěn)定，提高供電的可靠性，則需要通過反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)改進(jìn)Q-V下垂控制，使Q-V下垂控制特性曲線如c所示。即加入反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)使Q-V下垂控制參考電壓被合理的抬高，從而保證逆變器輸出端電壓不會(huì)因?yàn)楦行蕴摂M阻抗的引入而跌落。其對(duì)應(yīng)的方程如下所示：

Uref+ΔU=(U+ΔU)-LvI0=(Un+ΔU)-nQ-LvI0

(14)

根據(jù)公式(14)可知改進(jìn)Q-V下垂控制的控制方案如圖9所示。

圖9 改進(jìn)的Q-V下垂控制方案

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出改進(jìn)下垂控制策略的正確性和有效性，通過在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)中搭建由2個(gè)分布式電源組合而成的獨(dú)立微電網(wǎng)仿真模型，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。仿真參數(shù)的設(shè)定如表1所示，獨(dú)立微電網(wǎng)下垂控制及逆變器輸出阻抗各參數(shù)設(shè)置相同，只有負(fù)荷1和負(fù)荷2的阻抗參數(shù)設(shè)置不同。從兩種工況下對(duì)含2個(gè)分布式電源的逆變器改進(jìn)下垂控制仿真進(jìn)行分析。

工況1：初始時(shí)刻K1、K2、K3均閉合，在0.4 s時(shí)K3斷開，系統(tǒng)切負(fù)荷運(yùn)行，在0.6 s時(shí)K3閉合，系統(tǒng)接入負(fù)荷運(yùn)行，在0.8 s時(shí)K2斷開，系統(tǒng)切負(fù)荷運(yùn)行。取仿真時(shí)間為1.2 s，獨(dú)立微電網(wǎng)的運(yùn)行特性如圖10所示。

圖10反映了在投/切負(fù)荷情況下獨(dú)立微電網(wǎng)運(yùn)行特性，其中圖a、b分別反映了當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)DG1、DG2有功功率的變化和分配情況，2臺(tái)分布式電源的并聯(lián)逆變器參數(shù)設(shè)置相同，因此有功功率的波動(dòng)變化基本相同，結(jié)合圖g分析可知系統(tǒng)在0.4 s切負(fù)荷運(yùn)行時(shí)DG1、DG2輸出的有功功率減小，而DG1、DG2輸出頻率變大。同理，系統(tǒng)在0.6 s 接入負(fù)荷運(yùn)行時(shí)DG1、DG2輸出的有功功率增加，而DG1、DG2輸出頻率變小，系統(tǒng)在0.8 s切負(fù)荷運(yùn)行時(shí)DG1、DG2輸出的有功功率減小，而DG1、DG2輸出頻率增加，而系統(tǒng)輸出頻率的數(shù)值終保持在穩(wěn)定的變化范圍內(nèi)(50～50.05 Hz)，滿足P-f下垂控制特性的要求。圖c、d分別反映了當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)DG1、DG2無功功率的變化和分配情況，結(jié)合圖e、f，DG1、DG2輸出電壓有效值的變化分析可知，系統(tǒng)在0.4 s切負(fù)荷運(yùn)行時(shí)DG1、DG2輸出的無功功率減小，而DG1、DG2輸出電壓有效值有小幅度的增加。同理，系統(tǒng)在0.6 s接入負(fù)荷運(yùn)行時(shí)DG1、DG2輸出的無功功率增加，而DG1、DG2輸出電壓有效值有小幅度的減小，系統(tǒng)在0.8 s切負(fù)荷運(yùn)行時(shí)DG1、DG2輸出的無功功率

圖10 投/切負(fù)荷情況下獨(dú)立微電網(wǎng)運(yùn)行特性

減小，而DG1、DG2輸出電壓有效值有小幅度的增加，且DG1、DG2輸出電壓有效值均保持在220 V左右，滿足Q-V改進(jìn)的下垂控制特性的要求。同時(shí)，由圖a、b、c、d各逆變器輸出有功功率和無功功率曲線變化可知，各分布式電源可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率的均分，在負(fù)荷投切變化情況下能夠迅速調(diào)整功率輸出，快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率分配，提高了系統(tǒng)功率分配精度。

工況2：初始時(shí)刻K1、K2、K3均閉合，在0.4 s時(shí)K1斷開，DG2分布式電源退出系統(tǒng)運(yùn)行，在0.6 s 時(shí)閉合，DG2分布式電源并入系統(tǒng)運(yùn)行，在1.0 s時(shí)K1斷開，DG2分布式電源退出系統(tǒng)運(yùn)行。仿真時(shí)間為1.2 s，這種情況下獨(dú)立微電網(wǎng)的運(yùn)行特性如圖11所示。

圖11 DG2投/切運(yùn)行時(shí)DG1獨(dú)立微電網(wǎng)的運(yùn)行特性

圖11反映了DG2投/切運(yùn)行時(shí)DG1獨(dú)立微電網(wǎng)的運(yùn)行特性，圖a、b為分布式電源DG1、DG2輸出的有功功率和無功功率曲線，分析圖可知，提出的改進(jìn)下垂控制策略可實(shí)現(xiàn)分布式電源的即插即用，但分布式電源的投/切對(duì)微網(wǎng)功率波動(dòng)的影響不能忽略。分析圖c、d可知，當(dāng)DG2投/切運(yùn)行時(shí)獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率能夠保持在所要求的范圍內(nèi)，DG2投/切運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的有功功率和無功功率的波動(dòng)，進(jìn)而使頻率和電壓有所波動(dòng)，但是在改進(jìn)的下垂控制策略下能夠迅速保持穩(wěn)定。

為了驗(yàn)證Q-V改進(jìn)下垂控制策略的有效性，在工況1的運(yùn)行背景下通過比較基于感性虛擬阻抗的Q-V傳統(tǒng)下垂控制及所提出的基于感性虛擬阻抗的改進(jìn)下垂策略的電壓波形的變化，證明了提出的基于感性虛擬阻抗的Q-V改進(jìn)下垂策略能夠有效防止電壓跌落，仿真波形圖如圖12所示。

根據(jù)以上仿真分析可知，提出了的基于感性虛擬阻抗的Q-V改進(jìn)下垂控制策略，能夠消除由于感性虛擬阻抗引入而導(dǎo)致的電壓降落問題，提高了下垂控制的功率分配精度，維持了系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定。

圖12 基于感性虛擬阻抗的下垂電壓跌落分析

5 結(jié) 語

針對(duì)傳統(tǒng)下垂控制策略存在的不足，提出了基于感性虛擬阻抗的改進(jìn)下垂控制策略。首先，通過頻域法對(duì)基于感性虛擬阻抗的逆變器雙環(huán)控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行頻域響應(yīng)曲線分析，從理論上說明了提出的改進(jìn)下垂控制的必要性；然后，以2臺(tái)分布式電源逆變器并聯(lián)為模型搭建仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明，提出的改進(jìn)下垂控制策略能夠消除由于感性虛擬阻抗引入而導(dǎo)致的電壓降落問題，提高了下垂控制的功率分配精度，維持了系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定，從而保證獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

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(責(zé)任編輯 佟金鍇 校對(duì) 魏靜敏)

An Improved Droop Control Strategy for Parallel Lnverters in Micro Grid

LI Shan,YE Peng

(Institute of Electric Power,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning province)

Aiming at the problem that the output voltage sag of microgrid inverter can be caused by the introduction of virtual impedance,this paper proposes an improved droop control strategy for parallel inverters in microgrid.Firstly,based on the virtual impedance control system of the closed-loop transfer function of the inverter and the change of inductive virtual impedance on the closed-loop transfer function of frequency response curve analysis，indicating that the improved droop control method is necessity.Secondly,an improved droop control strategy based on virtual impedance voltage feedback is proposed by analyzing the droop curve.Lastly,the Matlab/Simulink simulation results show that the improved droop control strategy can not only solve the output voltage sag of the inverters,but also improve the accuracy of power allocation of droop control,maintain the system voltage and frequency stability.It is proved that the improved droop control strategy is effective.

Microgrid; Droop control; Virtual impedance; Voltage sag

2016-06-20

沈陽市科技項(xiàng)目(F16-205-1-08)

李 山(1989-)，男，河南南陽人，碩士研究生。

葉 鵬(1974-)，男，吉林吉林人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.04.001

TM743

A

1673-1603(2016)04-0289-08