功率下垂控制原理對逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的按容分配負荷問題

南昌航空大學信息工程學院、科華恒盛股份有限公司、欽州學院物理與電子工程學院的研究人員劉斌、盧雄偉、熊勇等，在2015年第21期《電工技術學報》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，因為均分系統(tǒng)負荷可能導致小容量逆變器無法工作，所以必須讓負荷按照正比于逆變器模塊容量的方式實現(xiàn)分配。

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

一方面，隨著國民經濟的發(fā)展，電力需求也在迅速增長，但一味地擴大電網規(guī)模不能滿足電力供應的要求。另一方面，20世紀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)點突出，但是它相對于電網而言是一個不可控源，微電網便是在這種環(huán)境下應運而生的。

它從系統(tǒng)角度出發(fā)將分布式電源、負荷、儲能裝置及控制裝置等模塊看成一個單一可控的單元，既可以與電網聯(lián)網運行，也可以在電網出現(xiàn)故障或系統(tǒng)需要脫網時與主網斷開單獨運行。微電網的這種靈活可調度性，使得它可以成為未來大型電網的有力補充和有效支撐，也正因為如此，近年來關于微電網的研究引起了社會和學術界的廣泛關注。

在微電網控制策略中，最常見的有三種。即在并網運行時采用PQ控制，在孤島運行時采用V/f控制或者下垂（droop）控制。由于本文側重考慮的是微電網孤島運行時的負荷分配問題，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荷分配的控制策略。

此外，依據逆變器之間是否存在互聯(lián)線，可以將逆變器并聯(lián)技術分成有互聯(lián)線并聯(lián)和無互聯(lián)線并聯(lián)兩大類，前者因為有互聯(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)技術具有更好的發(fā)展前景。其中，實現(xiàn)無互聯(lián)線并聯(lián)技術[7-8]的關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節(jié)系統(tǒng)給各逆變器模塊所分配的負荷。

在國內關于無互聯(lián)線并聯(lián)技術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)技術要求系統(tǒng)實現(xiàn)功率均分。對于非同等功率等級的逆變器無線并聯(lián)技術而言，因為均分系統(tǒng)負荷可能導致小容量逆變器無法工作，所以必須讓負荷按照正比于逆變器模塊容量的方式實現(xiàn)分配，這是這兩年來微電網研究的一個熱點。國外相關的結論不多，國內就更少，遠未達到完善的地步。

本文在介紹微電網結構和下垂控制原理的基礎上。首先通過對輸出電壓幅值和頻率的收斂性分析推導出系統(tǒng)穩(wěn)定的臨界條件。然后，在系統(tǒng)控制器設計中，介紹了虛擬阻抗法和雙環(huán)調節(jié)器。針對整流非線性負載引起的電壓畸變問題，本文采用準諧振調節(jié)器進行諧波補償。

最后，為驗證以上結論與策略的正確性，本文利用Matlab/Simulink進行了仿真，并搭建了由兩臺不同容量逆變器組成的實驗平臺。實驗結果表明，通過調整下垂系數和虛擬阻抗可以較好地實現(xiàn)按逆變器容量分配負荷的目標。

圖1 微電網結構

結論

本文圍繞功率下垂控制原理對逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的按容分配負荷問題展開了討論。首先，通過對輸出電壓幅值和頻率進行的收斂性分析，推導出系統(tǒng)穩(wěn)定的臨界條件。然后引入虛擬阻抗環(huán)和雙環(huán)調節(jié)器構建一個微電網系統(tǒng)的仿真平臺對理論分析進行了相關驗證，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小于臨界值。

此外針對整流非線性負載引起輸出電壓畸變問題，本文采用準諧振調節(jié)器進行諧波補償，圖8中的2組仿真波形可以說明補償效果。最后搭建的實驗平臺也對仿真結果進行了相應的驗證。