- 頭條基于坐標變換的微源逆變器虛擬復阻抗功率分配方法2020-11-06 作者：張波、李冬雪、顏湘武、黃毅斌、王德勝 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語華北電力大學河北省分布式儲能與微網重點實驗室、國網河北省電力有限公司檢修分公司的研究人員張波、李冬雪、顏湘武、黃毅斌、王德勝，在2019年《電工技術學報》增刊1上撰文指出，微電網中線路的阻抗特性與微源逆變器的功率解耦控制、環流抑制、電能質量等問題密切相關。 針對傳統虛擬阻抗控制容易引起公共連接點電壓幅值跌落、控制魯棒性差以及線路電阻漂移造成系統失穩等不足，提出基于坐標變換的微源逆變器虛擬復阻抗功率分配方法，通過引入虛擬復阻抗控制環實現并聯運行的微源逆變器功率輸出的精確解耦以及等效線路阻抗的匹配，從而使得負荷功率按微源逆變器容量比例進行精確分配。仿真和實驗結果驗證了所提控制方法的有效性。
近年來，越來越多的分布式電源（Distributed Generation, DG）通過并網逆變器等電力電子設備接入到傳統電力系統中，通過對分布式接入的微源逆變器控制，可以實現負荷合理分配和系統冗余。
有學者指出在現有的多微源逆變器并聯運行控制技術中，基于逆變器輸出下垂特性的無互連線控制方式是最為常見的。然而，微網中各臺并網逆變器等效輸出阻抗特性之間存在差異，所造成的功率耦合和功率環流等問題直接影響到微源逆變器的下垂控制效果。
有學者提出了虛擬功率法，通過坐標變換可以實現虛擬功率的解耦：研究指出，當負荷功率過度變化超出微源功率吞吐極限時會影響系統的穩定運行，并提出了相應的下垂限幅控制算法；研究應用虛擬坐標變換下垂控制策略，實現了微電網由并網模式至孤島模式的平滑切換，但由于各并聯運行的逆變器輸出阻抗和線路阻抗存在差異，實際的功率分配效果甚至不及傳統下垂控制策略。
針對低壓微電網中線路輸出阻抗一般呈阻性這一問題，有學者指出采用閉環控制策略的逆變器，其輸出阻抗不僅受濾波參數和線路參數的影響，還與控制器控制參數密切相關，通過控制器控制參數的合理設計可以使逆變器輸出阻抗表現為純感性，從而實現了并聯運行的分布式電源之間無通信連接的下垂功率分配。但控制器控制參數的調節范圍有限，應在保證逆變器輸出性能的前提下進行適當調節，當線路較長且阻性成分較大時，該方法的控制效果將受到很大影響。
有學者提出了逆變器虛擬阻抗控制技術，通過設置虛擬阻抗使得逆變器的輸出阻抗表現為純感性或純阻性，實現有功功率和無功功率之間的解耦，從而應用下垂或反下垂控制以平衡壓降，減少環流。
其中，研究通過引入正虛擬電阻以增大逆變器等效輸出阻抗的電阻分量，同時引入的虛擬感抗為負值，呈容性，可降低逆變器輸出阻抗中固有的感性電抗分量，從而使逆變器輸出阻抗在工頻下呈純阻性，并在此基礎上給出相應的反下垂控制方法.
有學者通過設置虛擬阻抗使得系統輸出阻抗呈感性，該虛擬阻抗包括虛擬負電阻（Virtual Negative Resistance, VNR）和虛擬正電感（Virtual Positive Inductance, VPI），VNR用于抵消線路阻性成分的影響，VPI用來增大逆變器等效輸出阻抗的感性電抗分量，進而實現功率解耦控制以及功率有效分配。
但是，實際線路電阻分量受所在地區環境因素與自身溫度的影響，設置虛擬負電阻與線路電阻相等，使系統處于臨界穩定狀態，尤其在線路電阻漂移小于虛擬負電阻時，系統將運行于不穩定的狀態。由系統閉環傳遞函數的根軌跡可直觀地看出，在其右半平面出現一對共軛極點，且線路阻抗越小，極點距離虛軸越遠，系統穩定性越差。
針對這個問題，有學者提出了一種改進的VNR，使“虛擬負電阻”在基頻處不變，而在非基頻段降低，增大了非基頻頻段的系統阻尼，擴大了系統穩定范圍，但減小的虛擬負阻抗可能引起某種程度上的功率耦合。
與現有虛擬阻抗控制策略增大系統等效輸出阻抗的電抗分量來抵消線路電阻的影響不同，本文通過設計虛擬復阻抗來控制并聯逆變器的等效輸出阻抗，實現多逆變器并聯輸出阻抗相匹配，減小功率環流并維持公共連接點（Point of Common Coupling, PCC）的電壓穩定；然后通過坐標變換實現虛擬功率解耦控制，保證系統穩定可靠運行，實現并聯微源逆變器之間的功率精確解耦分配；最后基于動態相量法建立了系統的小信號模型，并給出了系統穩定性的根軌跡分析結果。
仿真和實驗結果驗證了上述控制策略能有效地實現并聯逆變器有功功率和無功功率的解耦控制及功率精確分配。
圖4 含虛擬復阻抗的電容電流反饋控制結構
圖10 逆變器整體控制結構
總結
- 1）通過坐標變換以實現功率解耦的方法在逆變器并聯系統中無法解決線路阻抗不匹配造成的環流問題。傳統虛擬阻抗法在實現功率解耦前提下，匹配并聯系統線路阻抗可以實現功率按逆變器容量比例分配，但同時會造成PCC的電壓跌落。
- 2）通過建立基于動態相量法的系統小信號模型，分析虛擬阻抗取值對系統的穩定性的影響，指出當線路電阻漂移到小于虛擬負電阻時，系統閉環極點出現在右半平面導致系統失穩，虛擬負電阻取值越小系統穩定裕度越大。
- 3）提出了基于坐標變換的虛擬復阻抗功率分配方法，利用虛擬復阻抗靈活可控的特性，實現并聯微源逆變器功率輸出的精確解耦以及等效線路阻抗的匹配，不僅使負荷功率有效地按微源逆變器容量比例進行分配，提高了并聯系統穩定性，而且解決了PCC電壓跌落及并聯逆變器功率環流的問題。
