功率下垂控制原理對逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的按容分配負(fù)荷問題

南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院、科華恒盛股份有限公司、欽州學(xué)院物理與電子工程學(xué)院的研究人員劉斌、盧雄偉、熊勇等，在2015年第21期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，對于非同等功率等級的逆變器無線并聯(lián)系統(tǒng)而言，因?yàn)榫窒到y(tǒng)負(fù)荷可能導(dǎo)致小容量逆變器無法工作，所以必須讓負(fù)荷按照正比于逆變器模塊容量的方式實(shí)現(xiàn)分配。

圍繞下垂控制原理，通過對輸出電壓幅值和頻率進(jìn)行收斂性分析，推導(dǎo)出逆變負(fù)荷按容分配的充分條件，這一充分條件對下垂控制系數(shù)的確定具有很好的指導(dǎo)作用。此外，通過引入虛擬阻抗法和雙環(huán)調(diào)節(jié)器，搭建了由兩臺不同容量的逆變器組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該理論分析的有效性。

一方面，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力需求也在迅速增長，但一味地?cái)U(kuò)大電網(wǎng)規(guī)模不能滿足電力供應(yīng)的要求。另一方面，20世紀(jì)60年代的幾次大型停電事故引發(fā)了科研人員對分布式發(fā)電系統(tǒng)潛在效益的重視。分布式電源盡管優(yōu)點(diǎn)突出，但是它相對于電網(wǎng)而言是一個不可控源，微電網(wǎng)便是在這種環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生的。

它從系統(tǒng)角度出發(fā)將分布式電源、負(fù)荷、儲能裝置及控制裝置等模塊看成一個單一可控的單元，既可以與電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，也可以在電網(wǎng)出現(xiàn)故障或系統(tǒng)需要脫網(wǎng)時與主網(wǎng)斷開單獨(dú)運(yùn)行。微電網(wǎng)的這種靈活可調(diào)度性，使得它可以成為未來大型電網(wǎng)的有力補(bǔ)充和有效支撐，也正因?yàn)槿绱耍陙黻P(guān)于微電網(wǎng)的研究引起了社會和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

在微電網(wǎng)控制策略中，最常見的有三種。即在并網(wǎng)運(yùn)行時采用PQ控制，在孤島運(yùn)行時采用V/f控制或者下垂（droop）控制。由于本文側(cè)重考慮的是微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時的負(fù)荷分配問題，而基于單個V/f微電源主從控制方式對主控電源的容量要求較高，整個微電網(wǎng)對主電源依賴性過高，因此最終選用基于下垂控制的微電源對等控制方式作為本文負(fù)荷分配的控制策略。

此外，依據(jù)逆變器之間是否存在互聯(lián)線，可以將逆變器并聯(lián)技術(shù)分成有互聯(lián)線并聯(lián)和無互聯(lián)線并聯(lián)兩大類，前者因?yàn)橛谢ヂ?lián)線的存在而限制了逆變器模塊之間的距離，相比而言無互聯(lián)線并聯(lián)技術(shù)具有更好的發(fā)展前景。其中，實(shí)現(xiàn)無互聯(lián)線并聯(lián)技術(shù)[7-8]的關(guān)鍵是按照輸出電壓幅值和頻率與輸出功率之間的下垂特性來調(diào)節(jié)系統(tǒng)給各逆變器模塊所分配的負(fù)荷。

在國內(nèi)關(guān)于無互聯(lián)線并聯(lián)技術(shù)的研究大多集中在同等功率等級的逆變器，這種傳統(tǒng)并聯(lián)技術(shù)要求系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率均分。對于非同等功率等級的逆變器無線并聯(lián)技術(shù)而言，因?yàn)榫窒到y(tǒng)負(fù)荷可能導(dǎo)致小容量逆變器無法工作，所以必須讓負(fù)荷按照正比于逆變器模塊容量的方式實(shí)現(xiàn)分配，這是這兩年來微電網(wǎng)研究的一個熱點(diǎn)。國外相關(guān)的結(jié)論不多，國內(nèi)就更少，遠(yuǎn)未達(dá)到完善的地步。

本文在介紹微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和下垂控制原理的基礎(chǔ)上。首先通過對輸出電壓幅值和頻率的收斂性分析推導(dǎo)出系統(tǒng)穩(wěn)定的臨界條件。然后，在系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)中，介紹了虛擬阻抗法和雙環(huán)調(diào)節(jié)器。針對整流非線性負(fù)載引起的電壓畸變問題，本文采用準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器進(jìn)行諧波補(bǔ)償。

最后，為驗(yàn)證以上結(jié)論與策略的正確性，本文利用Matlab/Simulink進(jìn)行了仿真，并搭建了由兩臺不同容量逆變器組成的實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過調(diào)整下垂系數(shù)和虛擬阻抗可以較好地實(shí)現(xiàn)按逆變器容量分配負(fù)荷的目標(biāo)。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

結(jié)論

本文圍繞功率下垂控制原理對逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的按容分配負(fù)荷問題展開了討論。首先，通過對輸出電壓幅值和頻率進(jìn)行的收斂性分析，推導(dǎo)出系統(tǒng)穩(wěn)定的臨界條件。然后引入虛擬阻抗環(huán)和雙環(huán)調(diào)節(jié)器構(gòu)建一個微電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真平臺對理論分析進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證，從圖7中4組波形的對比可知，單個分布式電源電壓幅值收斂的條件為有功下垂系數(shù)小于臨界值，單個分布式電源電壓頻率收斂的條件為無功下垂系數(shù)小于臨界值。

此外針對整流非線性負(fù)載引起輸出電壓畸變問題，本文采用準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器進(jìn)行諧波補(bǔ)償，圖8中的2組仿真波形可以說明補(bǔ)償效果。最后搭建的實(shí)驗(yàn)平臺也對仿真結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證。