王 林

基于虛擬阻抗的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)柔性功率調(diào)控策略

王 林

（海裝駐武漢第二代表室，武漢 430060）

下垂控制作為無互聯(lián)線的并聯(lián)系統(tǒng)功率環(huán)控制技術(shù)，在逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。但是，對于傳統(tǒng)的基于感性或阻性阻抗的下垂控制，各逆變器輸出阻抗之間的差異會對并聯(lián)系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)精度造成較大影響。針對以上問題，本文提出了一種基于虛擬阻抗的柔性功率調(diào)控策略，在實現(xiàn)逆變器輸出功率解耦的情況下改善并聯(lián)系統(tǒng)的功率分配精度，提高下垂控制的魯棒性和控制性能。最后，通過逆變器并聯(lián)系統(tǒng)驗證了所提方案的有效性。

下垂控制 功率耦合 虛擬阻抗 功率分配

0 引言

對于逆變器并聯(lián)系統(tǒng)而言，由于各逆變器連接線路的長度不同，以及逆變器間元器件參數(shù)的不一致，各逆變器的輸出阻抗不可避免的會存在差異，且一般呈阻感性，這將會影響并聯(lián)系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)精度，甚至損害系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，針對各逆變器輸出阻抗之間的差異，研究改善逆變器并聯(lián)系統(tǒng)功率分配的功率調(diào)控策略顯得尤為重要[1]。

目前，當(dāng)線路阻抗呈現(xiàn)阻感性時，逆變器并聯(lián)系統(tǒng)功率耦合問題的解決方案主要分為以下四類：虛擬功率法，虛擬電壓頻率法，電壓前饋補(bǔ)償法和虛擬阻抗法。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于虛擬功率的改進(jìn)下垂控制策略，通過旋轉(zhuǎn)實際功率矢量得到僅與端電壓頻率相關(guān)的虛擬有功功率和僅與端電壓幅值相關(guān)的虛擬無功功率，實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于統(tǒng)一功率旋轉(zhuǎn)角的改進(jìn)虛擬功率法，通過旋轉(zhuǎn)同一阻抗角來解決傳統(tǒng)虛擬功率法中線路阻抗角不一致造成的有功功率和無功功率分配誤差問題，但該方案無法做到完全解耦，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度仍然較低。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于虛擬頻率和電壓的解耦策略，其本質(zhì)類似于虛擬功率法，將頻率和電壓轉(zhuǎn)換為虛擬幀，來間接實現(xiàn)功率的解耦控制。文獻(xiàn)[5]采用了虛擬阻抗法來實現(xiàn)直接解耦，通過加入虛擬電感來補(bǔ)償線路阻抗，保障線路阻抗近似呈現(xiàn)感性。

針對線路阻抗不匹配造成的功率耦合和功率分配誤差問題，本文基于傳統(tǒng)虛擬阻抗法，在下垂控制系統(tǒng)中引入虛擬負(fù)電感來補(bǔ)償線路阻抗中的感性成分來實現(xiàn)有功功率和無功功率解耦。在此基礎(chǔ)上，在逆變器的控制系統(tǒng)中引入虛擬阻抗來平衡逆變器的輸出阻抗和線路阻抗，從而減小各逆變器之間的差異，實現(xiàn)較好的功率分配效果，并加入二次控制補(bǔ)償電壓跌落。

2 下垂控制的基本原理

圖1所示為逆變器單元的等效電路圖。其中，∠為變換器端輸出電壓，U∠0為PCC點電壓，∠為變換器單元到PCC點的線路阻抗，和表示逆變器輸出有功功率和無功功率。

圖1 逆變器單元等效電路

根據(jù)圖1，逆變器的輸出有功功率和無功功率可以近似化簡為

式中，E、w分別為逆變器空載輸出電壓幅值和角頻率指令值；k、k為有功功率和無功功率的下垂系數(shù)；、分別為逆變器輸出有功功率和無功功率；、為逆變器指令電壓的幅值和角頻率。

3 基于虛擬阻抗的功率解耦策略

由于下垂控制系統(tǒng)的輸出功率耦合現(xiàn)象主要由線路阻抗的阻感特性引起，因此，可以通過添加虛擬電感來補(bǔ)償線路阻抗，使得線路阻抗近似呈阻性，來實現(xiàn)有功功率與無功功率的解耦。通常來說，逆變器的電壓、電流雙環(huán)控制器的帶寬相對工頻較高，因此如果需要完全補(bǔ)償線路阻抗中的感性成分，則應(yīng)引入虛擬負(fù)電感來補(bǔ)償線路阻抗中的感性成分來實現(xiàn)有功功率和無功功率解耦。

4 逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的柔性功率調(diào)控策略

由于各逆變器輸出阻抗之間的差異，下垂控制存在功率分配精度和輸出電壓精度之間的矛盾。為了保障功率分配精度，需要引入較大的虛擬阻抗。但是，較大的虛擬阻抗會導(dǎo)致輸出電壓有較大跌落。因此，為了減小下垂控制和虛擬阻抗對輸出電壓精度的影響，需要補(bǔ)償輸出電壓的幅值和頻率。

考慮到逆變器并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓精度和頻率精度均和輸出功率有關(guān)，因此，可以根據(jù)并聯(lián)系統(tǒng)總的輸出有功功率和無功功率實現(xiàn)輸出電壓和頻率的二次控制。

其中，P、Q為逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的輸出有功功率和無功功率；k、k為有功功率和無功功率的補(bǔ)償系數(shù)。

5 調(diào)控策略驗證與結(jié)果分析

通過逆變器并聯(lián)系統(tǒng)來驗證所提方案的有效性和可行性，每臺逆變器額定容量為10 kVA，通過CAN通信傳送各逆變器的輸出功率信息。各逆變器的線路阻抗為：逆變器1的連線阻抗Z1= 0.03+j0.01 Ω，逆變器2的連線阻抗Z2= 0.01+j0.02 Ω，逆變器3的連線阻抗Z3= 0.02+j0.01 Ω。其他電路參數(shù)如表1所示。由于各逆變器的輸出線路阻抗均有較大的感性成分，因此，以感性成分較大的逆變器2為例，驗證本文所提控制策略的有效性。

表1 三相逆變器電路參數(shù)

先將逆變器2并網(wǎng)運行，并在給定時刻提供1kW的有功功率階躍。定義=|Δ/ΔP|為逆變器輸出無功功率與有功功率的耦合系數(shù)，當(dāng)采用傳統(tǒng)下垂控制時，=49%，無功功率與有功功率存在較強(qiáng)耦合。同樣設(shè)定ΔP=1 kW，ΔQ=0 Var。圖3(a)和3(b)為采用基于虛擬阻抗的下垂控制下逆變器的輸出有功功率和無功功率曲線。如圖中所示，當(dāng)基于虛擬阻抗的下垂控制啟動后，無功功率Δ=-95Var，=9.5%。因此，該策略可以有效實現(xiàn)無功功率與有功功率的解耦。

圖4、圖5為采用相同的硬件參數(shù)下，逆變器控制中不加入虛擬阻抗和加入虛擬阻抗時三臺逆變器的輸出有功功率和無功功率曲線。從圖中可以看出，在不加入虛擬阻抗時，由于逆變器參數(shù)的差異，并聯(lián)模塊的有功功率無法實現(xiàn)均分，并且誤差隨著負(fù)載功率增大而增大，誤差功率接近平均功率的20%左右；在引入虛擬阻抗和電壓幅值、頻率二次控制之后，如圖5所示，此時各逆變器輸出輸出阻抗基本一致，輸出功率也接近相同，各逆變器模塊之間能夠?qū)崿F(xiàn)功率均分，驗證了本文所提出的并聯(lián)控制策略的有效性。

圖3 基于虛擬阻抗的下垂控制輸出有功功率及無功功率曲線

圖4 無虛擬阻抗下并聯(lián)系統(tǒng)各逆變器輸出的有功功率和無功功率

圖5 有虛擬阻抗下并聯(lián)系統(tǒng)各逆變器輸出的有功功率和無功功率

6 結(jié)論

本文針對逆變器并聯(lián)系統(tǒng)，分析了三相逆變器的輸出阻抗特性，引入虛擬阻抗實現(xiàn)了逆變器輸出功率的解耦，提高了下垂控制的控制精度。在此基礎(chǔ)上，提出了基于虛擬阻抗和電壓幅值、頻率二次控制的混合控制策略，以降低各逆變器間輸出阻抗的不平衡度，提高并聯(lián)系統(tǒng)功率分配特性和電能質(zhì)量。最后通過三臺逆變器組成的并聯(lián)系統(tǒng)驗證了所提控制策略的可行性與有效性。

[1] Zhong Q C, Wang Y, Ren B. UDE-based robust droop control of inverters in parallel operation[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(9): 7552-7562.

[2] De Brabandere K, Bolsens B, Van den Keybus J, et al. A voltage and frequency droop control method for parallel inverters[J]. IEEE Transactions on power electronics, 2007, 22(4): 1107-1115.

[3] Wu T, Liu Z, Liu J, et al. A unified virtual power decoupling method for droop-controlled parallel inverters in microgrids[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 31(8): 5587-5603.

[4] Li Y, Li Y W. Power management of inverter interfaced autonomous microgrid based on virtual frequency-voltage frame[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2011, 2(1): 30-40.

[5] 程軍照, 李澍森, 吳在軍, 陳江波. 微電網(wǎng)下垂控制中虛擬電抗的功率解耦機(jī)理分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2012, 36(07): 27-32.

Flexible Power Control Strategy for Parallel Inverters Based on Virtual Impedance

Wang Lin

（The Second Naval Representatives Office in Wuhan, Wuhan 430060, China）

TM464

A

1003-4862（2021）06-0026-03

2021-03-18

王林（1979-），男，碩士，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)自動化。E-mail: 754515422@qq.com