多逆变器并联的微电网无功均分控制策略研究_宋帅超.pdf

23 电工电气电工电气 (2023 No.2)基金项目：国家自然科学基金项目(62033014)；湖南省自然科学基金项目(2021JJ50006)作者简介：宋帅超(1997)，男，硕士研究生，研究方向为分布式发电与微电网控制；秦斌(1963)，男，教授，博士，研究方向为复杂工业化过程建模与优化控制。宋帅超，秦斌(湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007)摘 要：针对在多逆变器并联的孤岛微电网系统中，各线路之间的阻抗不一致，无功功率不能按需分配以及逆变器之间出现环流等问题，提出了虚拟阻抗策略，采用 PR 控制代替传统的 PI 控制，提高系统的稳定性，减小环流对系统的影响，并在虚拟阻抗策略中引入自适应控制，使虚拟阻抗根据系统的无功功率和母线电压自适应调节，从而提高电能质量，仿真实验验证了该策略的有效性。关键词：孤岛微电网；下垂控制；虚拟阻抗；PR 控制；自适应控制中图分类号：TM464；TM712 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2023)02-0023-06 Abstract:As the impedance of each line is different in the islanded microgrid system of multi-parallel inverters,the powerless power can-not be distributed according to need and the circulating current appears between different inverters.Therefore,the virtual impedance strategy is proposed in the paper.The traditional PI control is replaced with the PR control to increase system stability and decrease the effects of circulating current on the system.The adaptive control is introduced into the virtual impedance strategy to make virtual impedance regulate adaptively according to powerless power and bus voltage of the system,which raises the power quality.Finally,the simulation experiment verifies the validity of this strategy.Key words:islanded microgrid;droop control;virtual impedance;PR control;adaptive controlSONG Shuai-chao,QIN Bin（College of Electrical&Information Engineering,Hunan University of Technology,Zhuzhou 412007,China）Research on Reactive Power Sharing Control Strategy ofMicrogrid with Multi-Parallel Inverters多逆变器并联的微电网无功均分控制策略研究0 引言近年来，随着旧式能源的开发与利用，其污染环境和不可再生的缺点也日益显著。新能源具有清洁、方便以及无污染的显著优点，逐渐成为主要的能源方式。为了充分高效且有保证地利用新能源，有学者提出了微电网的概念1。微电网是由多种分布式新能源电源组成，具有简便、清洁以及安全性高的特点，因此能为新能源的充分利用提供新的思路。低压微电网有两种运行模式，一种是与大电网并联运行，另一种是孤岛运行2。在孤岛运行的多逆变器并联微电网控制系统中，如何实现功率解耦以及系统电压和频率处于允许范围内是保证系统稳定性的前提。下垂控制由于简便易实现，以及通信要求低的显著优点，因此在微电网中得到了广泛运用3-4。在多逆变器的低压微电网中，由于各线路的长短以及所处环境的不同，各线路呈现不同的阻值，传统下垂控制对功率的分配存在一定的偏差，进而使系统出现环流，影响系统正常运行5。参考文献 5提出了虚拟阻抗策略，减小了功率分配的偏差，但母线电压降的问题没有得到解决。参考文献 6 采用了虚拟阻抗策略，在控制器生成的参考电压中实现所需的压降，以达到与在逆变器输出处添加物理阻抗相同的效果，最后通过粒子群算法优化虚拟阻抗值，使虚拟阻抗值处于可行的范围内。参考文献7提出了虚拟负阻抗的方法，虚拟负电感用于减少功率耦合，虚拟电阻调整阻抗匹配度，并在功率控制回路多逆变器并联的微电网无功均分控制策略研究24电工电气电工电气 (2023 No.2)设计加入了 PI 控制器。参考文献 8 在虚拟阻抗的基础上，利用了二次调节的方法对电压和频率进行二次补偿，提高了电压和频率质量。参考文献 9在下垂控制和虚拟阻抗中加入了自适应思路，使虚拟阻抗根据工况的不同实时调节。参考文献 10提出了一种改进的自适应虚拟阻抗方法，可以获得合适的虚拟阻抗来补偿不匹配的线路阻抗，并且不需要来自公共耦合点(PCC)电压、线路阻抗或其他逆变器的额外信息，可以准确实现无功功率的均分，且不影响系统电压质量。参考文献 11 采用了新型反下垂控制方法，在控制回路中引入虚拟阻抗策略，并在此基础上对母线电压进行反馈补偿，进而解决了功率均分的问题。针对上述问题，文中提出了基于自适应虚拟阻抗的多逆变器控制策略，分析了传统下垂控制的特性以及有功功率、无功功率不能近似解耦的问题，进而引入了虚拟阻抗策略。但是，在引入虚拟阻抗策略实现功率解耦的同时，也会导致系统电压降程度加大，降低了输出电能质量。因此，为了进一步解决系统电压降，提出了具有自适应控制的虚拟阻抗策略，对电压进行实时补偿，提高输出电能质量和系统稳定性。1 微电网多逆变器并联系统分析1.1 低压交流微电网传统下垂控制策略把两个逆变器并联运行的微电网等效为戴维宁定理，可得如图 1 所示的等效模型。其中Ui(i=1，2)和i(i=1，2)为第i个逆变器的输出电压幅值和输出电压相位；Ri(i=1，2)为对应逆变器和线路的电阻之和；Xi(i=1，2)为对应逆变器和线路的电抗之和；UL、RL和XL分别是公共连线上的电压、电阻和电抗值，L是UL的电压相位。由图 1 可得，第i个(i=1，2)逆变器输出的有功功率和无功功率分别为：其中Zi和i分别为输出阻抗的幅值和相角，逆变器等效输出阻抗的表达式为：Zii=Ri+jXi (2)当逆变器线路Xi Ri时，i90，cosi0，sini1。由于锁相环的作用，一般情况下功角满足sini=i，cosi=1，则式(1)可以化简得：由上式可以很容易看出，在Ui、UL和Xi都确定的情况下，逆变器的有功功率只和i有关，而无功功率由逆变器和母线电压决定。由上所述可得，传统下垂控制特性方程为：式中：Ui和i是逆变器输出电压的幅值和角频率，U*i和*i是其额定取值；kPi和kQi是有功功率和无功功率下垂系数；Pi和Qi为逆变器输出的有功功率和无功功率，P*i和Q*i为其额定取值。传统下垂控制框图如图 2 所示。1.2 传统下垂控制对功率分配的影响由于式(4)是由微电网系统处于大电感的情况下推导出来的，然而在实际的微电网系统中，线路阻抗不可能处于纯电感状态。由此，当输电线路阻抗呈现纯阻感时，即 sini=i，cosi=1，式(1)可化简为：由式(5)可以看出，当输出线路呈现阻性或阻图1 戴维宁等效电路图R1X1X2RLXLR2ULLU22U11图2 传统下垂控制框图kPikQiPiQiiUiP*iQ*i*iU*i+-+U sintUref(1)Pi=(UiULcosi-UL2)cosi+UiULsinisini1ZiQi=(UiULcosi-UL2)sini-UiULsinicosi1Zi(3)Pi=iUiULXiQi=UL(Ui-UL)Xi(5)Pi=Ri(UiUL-UL2)-UiULXiiRi2+Xi2Qi=Xi(UiUL-UL2)-UiULRiiRi2+Xi2(4)i-*i=-kPi(Pi-P*i)Ui-U*i=-kQi(Qi-Q*i)多逆变器并联的微电网无功均分控制策略研究25 电工电气电工电气 (2023 No.2)感特性时，系统的有功功率不仅和i相关，也和Ui密切相关，同样无功功率也是这样，两者存在耦合的现象。因此要实现功率分配，必须要使线路变成感性状态。在实际的工况中，由于不同线路对应不同的电压等级，因此阻抗比不同。表 1 为不同线路等级对应的电气参数12。如表中所示，中高压线路的阻抗比通常情况下较小，从而使系统阻抗呈现为感抗状态，而低压线路具有阻性状态。2 基于虚拟阻抗的下垂控制策略2.1 虚拟阻抗控制策略由于微电网各逆变器线路长短和所处环境的不同，导致线路阻抗不一致，呈现不同的阻抗比，各并联逆变器之间输出的功率不能按需分配。虚拟阻抗法可以将阻感特性的输出线路变成感性或者阻性，使有功和无功功率解耦。加入虚拟阻抗环节，其原理是在下垂控制与电压电流双闭环控制之间增加一个电压补偿环节，而输入到电压电流双闭环控制的电压为下垂控制输出电压与虚拟阻抗产生电压的差值。最后通过 SPWM 调节成正弦波输送给逆变器，其数学表达式为：U*ref(S)=Uref(S)-Z0(S)I0(S)(6)式中：U*ref(S)为引入虚拟阻抗后输入电压电流双闭环控制的电压；Uref(S)为引入虚拟阻抗前下垂控制的电压；Z0(S)为虚拟阻抗；I0(S)为逆变器输出电流。控制框架图如图 3 所示，其中iL、iC和i0分别是逆变器的电感电流、电容电流和输出电流，uabc和iabc分别是输出线路三相电压和三相电流。三相电压和电流经过 Park 变换得到dq分量后，通过功率计算和下垂控制后与虚拟阻抗产生的电压值相减进而得到新的参考值，然后输送到电压电流双闭环控制模块，其得到的U0d和U0q通过反 Park 变换后，最后输送到 PWM 控制模块实现对逆变器的控制。2.2 引入虚拟阻抗的电压电流双闭环控制为了提高系统响应速度和跟踪能力，文中用比例谐振控制(PR)代替电流内环的比例积分控制(PI)。PR 控制器跟踪能力更为显著，可以进一步提高电能质量，控制框图如图 4 所示。其中：GPR(S)是 PR 控制传递函数；Gi(S)是电流外环的控制传递函数；KPWM逆变器调制增益；Z0(S)是虚拟阻抗；G1(S)和G2(S)分别是滤波电感和滤波电容的传递函数。由图 4 可得逆变器输出阻抗传递函数为：(7)其中：式(8)中的Kvp和Kvi分别是 PI 控制器的比例参数和积分参数。式(11)主要有三个参数，分别是 PR 控制器的比例参数KPV、谐振频率r、谐振参表1 不同线路等级的电气参数项目每千米电阻R/每千米电抗X/阻抗比=R/X低压线路(1 000 V)0.6420.0837.735中压线路(635 kV)0.1610.1900.847高压线路(35 kV)0.0600.1910.314(8)KviSGi(S)=Kvp+(9)1LSG1(S)=(10)1CSG2(S)=(11)2rKrSS2+2rS+2GPR(S)=KPV+Z0(S)=G2(S)+GPR(S)KPWMG1(S)G2(S)+Z0(S)Gi(S)GPR(S)KPWMG1(S)G2(S)/1+GPR(S)KPWMG1(S)+G1(S)G2(S)+Gi(S)GPR(S)KPWMG1(S)G2(S)图3 逆变器下垂控制框架图UdcU0dU0qiLi0i0iCiCiC-dq0udq0Pidq0QLCZloadZlinePCCuabc、iabcPWM控制模块反Park变换Park变换