- 頭條低壓微電網多臺并聯逆變電源的功率分配策略綜述2019-05-27 作者：張春剛、羅璐 等 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語云南電網有限責任公司昆明供電局、昆明鐵道職業技術學院、昆明理工大學電力工程學院的研究人員張春剛、羅璐等，在2018年第9期《電氣技術》雜志上撰文指出，隨著低壓微電網理論及實用技術的發展，低壓微電網中多臺不同容量、不同類型的逆變電源之間，功率分配控制成為微電網研究的關鍵技術之一。 本文首先從原理上分析了P-F/Q-V下垂控制與P-V/Q-F下垂控制的區別，其次分析了多逆變電源之間存在功率分配偏差的主要原因；然后分別對基于P-F/Q-V下垂和P-V/Q-F下垂的改進功率控制策略進行綜述，并總結了其他逆變電源功率控制方法；最后對不同功率分配控制策略進行對比分析，比較出各類方法的優缺點以及依然存在的問題，以促進低壓微電網更好的發展。
云南電網有限責任公司昆明供電局、昆明鐵道職業技術學院、昆明理工大學電力工程學院的研究人員張春剛、羅璐等，在2018年第9期《電氣技術》雜志上撰文指出，隨著低壓微電網理論及實用技術的發展，低壓微電網中多臺不同容量、不同類型的逆變電源之間，功率分配控制成為微電網研究的關鍵技術之一。
本文首先從原理上分析了P-F/Q-V下垂控制與P-V/Q-F下垂控制的區別，其次分析了多逆變電源之間存在功率分配偏差的主要原因；然后分別對基于P-F/Q-V下垂和P-V/Q-F下垂的改進功率控制策略進行綜述，并總結了其他逆變電源功率控制方法；最后對不同功率分配控制策略進行對比分析，比較出各類方法的優缺點以及依然存在的問題，以促進低壓微電網更好的發展。
清潔能源的開發利用，極大程度地填補了社會發展對電能的需求空缺，為實現社會與環境的和諧共處提供了新的途徑。當然，很多國家對分布式電源（distributed generator, DG）技術的重視也加快了微電網（micro-grid, MG）技術的進步。
為了實現永磁同步風力發電機、光伏電池以及儲能設備等分布式電源的“即插即用”接入，很多研究者提出了采用并網逆變器的接入方法對逆變器進行控制，就可以實現對DG的輸出功率控制，從而提高微網的供電可靠性。但是不同類型、不同容量的逆變電源在同一低壓微網中的負荷實時協調分擔（見圖1），則成了各逆變電源實現自動調節的重要環節。
圖1 微電網結構圖
本文以傳統的逆變器下垂控制方法為基礎，先從原理上明確了P-F/Q-V下垂與P-V/Q-F下垂方法的區別；并對多逆變電源并聯運行時功率分配偏差的主要原因進行分析；最后綜述了近年來很多研究者提出的不同改進功率控制策略，比較出各類方法的優缺點，以促進低壓微網技術的持續進步。
1 下垂控制原理分析（略）2 功率分配偏差原因分析
傳統的下垂控制方法是利用P-F/Q-V下垂曲線模擬大電網中同步發電機的外特性，并沒有考慮各發電機之間的線路阻抗影響。由表1可知，在高壓電網中，系統阻抗比小；且上述P-F/Q-V下垂控制原理化簡過程中直接忽略了系統的電阻值，所以傳統的P-F/Q-V下垂方法在高壓系統中得于適用；反之，在低壓微電網系統中，則可以使用P-V/Q-F下垂控制策略。
但在低壓微網中，由于各下垂控制器等效輸出阻抗不同，且逆變器與公共連接點之間的線路阻抗存在差異[1]，所以各并聯逆變器之間易發生環流，在多個逆變器之間流動，容易對逆變器造成沖擊，降低了各逆變器之間功率分配精度，嚴重時會造成整個低壓微電網的穩定[3]。
針對低壓微電網系統呈阻性，而傳統的P-F/Q-V下垂控制適用于輸電線路呈感性的情況，有研究者提出采用反下垂控制策略，引入虛擬阻抗改變原系統的阻抗比，或者修改控制環中的參數，使系統呈感性，從而實現對系統控制可采用P-F/Q-V下垂策略。
表1 不同電壓等級的線路電氣參數表
為了降低上述系統阻感性對功率控制的影響，很多研究者提出在P-F/Q-V下垂策略的系統中增加感性成分，而在P-V/Q-F下垂控制策略的系統中增加阻性成分。
由于下垂控制具有較高的冗余特性，無需通信線路，對于非同等容量等級的多逆變電源并聯系統，若均分系統中的負荷，則可能導致小容量逆變電源無法正常工作，所以系統的線路阻抗和逆變器的額定容量成反比是下垂控制實現功率按比例分配的充要條件[4]，必須對線路阻抗或控制器等效輸出阻抗按各個逆變電源的容量按比例進行調整[5]。
現有的P-F/ Q-V下垂功率分配策略，采用P-F下垂控制穩定微網的頻率，使有功功率按照下垂特性分配，但系統內各點電壓不一定相等，所以利用Q-V下垂控制，無法實現DG輸出無功功率按比例分配，并且線路阻抗、下垂系數和負荷類別等均會影響無功功率的分配精度[6-7]。
3 改進功率控制策略研究綜述
3.1 改進P-F/Q-V下垂控制策略
低壓微網孤島運行時，失去大電網對微網系統電氣量的支撐，若負載突變，則容易引起微網電壓和頻率的波動，導致微網系統無法提供可靠的電能，故而要求各DG能夠快速動態響應系統變化，按容量承擔功率變化量，實現微網內電壓和頻率穩定。
很多研究者提出基于電壓電流雙環下垂控制的改進方法：文獻[1]在雙環控制基礎上引入感性虛擬阻抗，工頻條件下由濾波電感值決定逆變器輸出阻抗的阻感性，減少輸出電阻對功率均分的影響。文獻[8]則是在雙環控制的電流環中引入感性反饋阻抗，使得逆變器的等效輸出阻抗在工頻條件下為感性。
以上功率控制方法由于輸出阻抗受制于控制參數并且存在較大缺陷，故難以實現。對于雙環控制中增加虛擬阻抗引起的電壓偏差問題，則通過增加電壓幅值和頻率調節環[9]，對電壓、頻率偏移進行二次調節。
在分散控制的微網中，文獻[10]對P-F/Q-V下垂進行多環反饋控制設計，實現各逆變器的“三環控制”，即外環采用功率控制，而內環電壓采用PI策略，電流采用P策略；有研究者在三環控制基礎上，于Q-V控制環中增加無功誤差積分修正項，提出無功下垂平均因子nQavg，優化無功功率分配精度。
雖然三環下垂控制器可優化并聯系統的功率均分精度，但控制器較為復雜，控制效果受控制器阻感比影響較大[11]。對于下垂控制器的修改，文獻[12]采用旋轉坐標變換實現功率解耦，并引入正弦虛擬P-F下垂控制策略，使下垂系數隨著功率的變化呈現半周期正弦規律變化，自動調節下垂系數大小。
在雙環控制中加入虛擬阻抗，可改變線路阻感比，降低功率耦合，減小電壓降落和抑制系統環流，但虛擬阻抗值的設定受系統阻抗測量難度及線路投切的影響，無法實時確定。同時為了減少系統鎖相環同步誤差，數字控制離散化誤差等因素對功率均分的影響，需要提高虛擬阻抗Rvir的數值，但同時增大了電壓降落，對輸出的電能質量產生不利影響。
為了改善該問題，有研究者提出動態虛擬阻抗的控制策略[13]，虛擬阻抗值在動態虛擬阻抗環的作用下會隨著負載電流和電壓降落幅值而相應變化，不斷自適應地調整取值，可以減少電壓降落和環流對電能質量的影響。基于P-F/Q-V下垂控制策略的其他方法中，文獻[14]引入虛擬磁鏈的概念，將電壓控制轉化為空間磁鏈控制，實現電壓源逆變器輸出電壓的直接控制，消除功率解耦問題。
3.2 改進P-V/Q-F下垂控制策略（略）
由于傳輸線路阻抗特性不同，當微網孤島時，采用傳統P-V下垂實現不同DG均分負載屬于有差調節，會使電壓和頻率存在較大偏差，雖然可以在P-V下垂控制中加入電壓和頻率偏差的前饋環節實現二次調節，如圖5所示，但也會減弱下垂控制在并網運行狀態下的功率控制效果[14]。
圖5 前饋調節改進下垂控制結構
對引入虛擬阻抗環策略的改進方法中，文獻[15]提高電壓環積分系數使逆變器輸出阻抗呈阻性，但只適用于微電網并網運行狀態。文獻[16]通過設計虛擬阻抗使等效線路在工頻附近呈阻性，滿足低壓微網的阻抗特性。相似方法中，文獻[17]設置虛擬感抗為負值，降低逆變器輸出阻抗中的感性分量，從而使逆變器輸出阻抗在工頻下呈阻性。
對于采用較大值虛擬阻抗的缺點，文獻[18]提出一種微調虛擬阻抗應用下垂控制一級調節實現功率均分的控制方案，可實現電壓精度和虛擬阻抗值的折中，自適應計算出微調虛擬電阻，使各DG的微調虛擬電阻與線路電阻之和平衡，達到功率均分效果。
由于相角由頻率和初相角共同決定，有研究者提出虛擬頻率的概念，并引入到電壓-相角下垂控制策略中，將下垂控制時DG虛擬頻率的變化轉換為初相角調整[19]。也有研究者在P-V/Q-F下垂策略基礎上引入其他電氣量或者控制器的方式進行輸出功率調節。
3.3 其他逆變電源功率分配控制策略（略）
基于解耦控制策略：文獻[22-23]提出通過旋轉坐標變換矩陣T使傳統高壓電網的v/f下垂策略應用到低壓微網中；文獻[24]發現母線電壓的幅值影響有功功率平衡，而d軸與q軸電壓的比值影響無功功率平衡，提出基于電壓的下垂控制方法，完成各逆變器之間的功率合理分配。
文獻[25]結合能量優化管理與比例復數積分（PCI）電壓控制技術，設計一種改進型PQ-FU多環控制策略，實現DG輸出功率靈活控制。文獻[26]通過設計微網各個子系統的參數，建立基于虛擬同步發電機的控制策略實現電壓的調節。
為了改善傳統下垂控制功率耦合問題，有研究者建立小信號模型[27]，或者將控制電流分解為有功電流和無功電流，分別用有功電流代替有功功率、無功電流代替無功功率實現下垂控制[28]。但該方法缺乏機理闡述，且降低了無功分配精度。
較為典型的方法中，文獻[29]在v/f和PQ控制的逆變電源微網中，引入能量管理系統解決孤島狀態下微網的能量平衡以及節點電壓的穩定問題，由能量管理系統及時改變參考功率，實現各DG的輸出功率控制；文獻[30]則是在靈活分布式電源模型基礎上，并對靈活調度、智能輔助等網層面的角度深入分析了控制系統。
結論
目前在微網中通過引入虛擬阻抗實現功率控制的方法主要分兩類[11]：①改變逆變器的等效輸出阻抗使MG系統呈感性，故P-F/Q-V傳統下垂控制策略適用于低壓微電網；②在逆變器控制中加入電壓前饋環節，根據電壓降落調節逆變器的合成控制電壓，達到控制輸出阻抗的作用。
該類方法中虛擬阻抗的接入一定程度上可以增加對電壓、電流環的抑制作用，但其阻性的存在依然會導致系統功率耦合；且在P-F下垂控制中加入感性虛擬阻抗，會造成大量諧波，影響輸出的電能質量。單一增大下垂系數或增加虛擬電感，雖然可以改善無功功率分配精度，但會降低系統的穩定裕度，增大電壓跌落。
與P-F下垂控制改進點相似，P-V下垂控制的改進方法中，增大阻性會導致較大的電壓降落，采用復阻抗或者負阻抗的方法并不能達到忽略感性成分的作用，故而依然存在缺陷。通過引入能量管理系統，或者V-F、PQ等多種方法結合使用的方法，可以很大程度上避免對輸出阻抗的測量以及抵消，但是需要DG之間的協調控制，對信息的準確性、快速性依賴較高，故系統應用成本高，控制相對復雜。
