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微网逆变器并联运行的改进下垂控制策略_姚骏

第 39 卷第 4 期 2015 年 4 月文章编号：1000-3673（2015）04-0932-07
电网技术 Power System Technology 中图分类号：TM 721 文献标志码：A
Vol. 39 No. 4 Apr. 2015 学科代码：470·4051
微网逆变器并联运行的改进下垂控制策略
姚骏，杜红彪，周特，谭义
（输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆市沙坪坝区 400044）
Improved Droop Control Strategy for Inverters Parallel Operation in Micro-Grid
YAO Jun, DU Hongbiao, ZHOU Te, TAN Yi
(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology(Chongqing University), Shapingba District, Chongqing 400044, China) ABSTRACT: In the inverters parallel system which using the P-f and Q-U droop control method, the fixed droop coefficients are used to realize the power sharing, which will cause the contradiction between the output voltage precision and the power sharing effect. In addition, the output current oscillations caused by the loading variation could occur, which will decrease the stable operation performance of the whole system. Furthermore, the dynamics of the overall system are strongly influenced by the delaying characteristics of the low-pass filters which introduced to achieve the precise power calculation. To solve the problems mentioned above, an improved adaptive droop method is investigated for the control of the inverters. In the proposed method, a linear function of the power and droop coefficient is introduced to realize the adaptive regulation for the droop coefficients with the power variation, while a power derivative term is introduced to instantaneously reflect the trend of power, which effectively improving the stable operation performance and dynamic response capability. Finally, experimental results are used to validate the proposed droop control method. KEY WORDS: micro-grid; inverters parallel operation; improved droop control; voltage precision; dynamic performance 摘要：逆变器并联系统采用有功?电压频率(P-f)和无功?电压幅值(Q-U)下垂控制方法实现功率均分时，由于采用固定下垂参数，输出电压精度与功率均分效果之间存在矛盾；同时负荷发生剧烈突变时易造成输出电流振荡，从而影响系统的稳定运行。此外，为获得稳定准确的系统功率输出，功率计算环节须引入低通滤波器，低通滤波器的延迟特性将会对系统的动态性能产生影响。为此，提出了一种改进的逆变器自适应下垂控制方法，该方法在传统控制方法基础上分别引入功率与下垂系数的一次函数项和功率与时间的微分项，既实现了下垂系数随功率变化的自适应调节，又及时反映出功率
基金项目：国家自然科学基金项目(51477016)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51477016).
的变化趋势，有效提高了系统的稳定运行性能和动态响应能力。实验结果验证了所提方法的有效性。关键词：微网；逆变器并联；改进下垂控制；电压精度；动态性能 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.04.009
0
引言
近年来，为解决能源短缺问题和采用传统化石
能源的环境污染问题，以太阳能、风能等清洁无污染的可再生能源的开发和利用日益受到人们的重视。电力电子技术的飞速发展，为以分布式供电方式的可再生能源利用开辟了一条新路径。采用多个分布式发电单元组成的微电网作为大电网的有益补充，既可以并网模式运行，又可以孤岛模式运孤岛模式下多台分布式电源利用逆变器并联行[1-2]。的方式实现大容量和冗余供电，可极大提高供电系统的可靠性[3-5]。基于无通讯线的逆变器并联控制是模拟同步发电机并网运行的自下垂特性[6]。由于该并联方式中下垂系数是固定的，其功率均分效果与输出电压控制精度之间存在矛盾[7]，且当负荷急剧变化时，输出电压波动还可能引起系统输出电流产生振荡[8]。另一方面，下垂控制方式中功率计算部分引入相位延迟较大的低通滤波器，将在很大程度上降低并联系统的动态响应能力。为克服上述问题，已有文献针对传统下垂控制方法提出了一些改进策略。如文献[9]根据实际输出功率大小动态调节下垂系数，以有效减小输出电压幅值及频率的波动。文献[10]通过在传统下垂控制的基础上引入功率的瞬态分量，提高了并联系统的动态性能。文献[11]提出一种功率微分项系数的全周期自适应调节方法，使系统在接入不同负荷的情形下均能获得较高的动态性能。

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本文从进一步提高逆变器并联系统电压输出精度、运行稳定性以及动态性能 3 方面出发，提出一种改进的自适应下垂控制方法。该方法通过建立功率与下垂系数的一次函数项和功率与时间的微分项共同构成新的下垂控制策略。通过理论分析证明相同工况条件下所提改进下垂控制在上述 3 个方面都获得了有效改善。本文首先对传统下垂控制方法进行了详细分析，并对比研究了固定下垂参数与自适应下垂参数对电压质量的影响，然后通过小信号模型分析，比较两者之间稳定性和动态性能的差异。最后，搭建了 2 台 2 kVA 单相逆变器并联实验系统平台，并在不同负荷特性条件下进行了相关实验研究。
Fig. 2 图 2 有功下垂控制特性曲线 Characteristics curve of active power droop control
ΔP*分别表示在下垂系数 m 与 m*时所对应同一参考频率点 ωo 时的频率跌落与同一负载时的 2 台逆变器输出功率的差值。由图 2 可知，当 m*>m 时， ΔP>ΔP*，Δω*>Δω，这表明功率下垂系数越大有功功率均分效果越好，但频率偏差越大；同理，无功功率与输出电压幅值也存在类似的关系。因此，逆变器并联运行时的功率均分效果和输出电压质量必须进行折中考虑。
1 传统下垂控制方法分析
为便于分析，可将其中 1 台逆变电源等效为如图 1 所示的简化电路。
= P + jQ S
U ∠0D
2 改进下垂控制方法及稳定性分析
2.1 改进下垂控制方法从环流抑制的角度分析，无论是有功环流还是无功环流，下垂参数应与环流直接相关，而不应将负载电流也纳入其中。但由于采用无互联线下垂控制方式，控制器无法区分负载功率和环流功率，其只能根据自身输出的功率进行调节。因此，随着负载增大，下垂量的比重也会越大，系统输出电压的精度将会显著越低。另一方面，为获得较为平滑的功率计算结果，所采用的低通滤波器亦将降低并联系统的动态调节性能。针对以上 2 点，本文提出一种改进的自适应下垂控制方法：
dP ? * ωn = ω n ? (m1 ? m2 P ) P ? md ? ? dt ? d ? E = E * ? (n ? n Q )Q ? n Q n n 1 2 d ? dt ?
E ∠δ
I o
Fig. 1
图 1 单相逆变器等效电路 Equivalent circuit of single-phase inverter
图 1 中：E∠δ 为逆变器开路输出电压，其中 E 为电压幅值，δ 为逆变器输出端与负载端相角差； ?o 为逆变器输出电流；U∠0°为公共连接点母线电压；P 为逆变器输出有功功率；Q 为逆变器输出无功功率；Z=R+jωL 为逆变器等效阻抗；ω 为逆变器电压角频率。根据现有文献理论分析可知，逆变器的输出阻抗特性决定了逆变器并联下垂控制方程，其输出阻抗特性对并联系统的功率均分精度有较大程度的影响[12-14]。因此，当以逆变器等效输出阻抗呈感性为前提进行分析时，传统无互联线逆变器并联下垂公式可表示为
* ? ?ωn = ωn ? mP ? * ? ? En = En ? nQ
(2)
式中：m1 与 m2 表示有功调节时一次函数项的 2 个 (1) 参数；md 表示有功调节时微分项系数；n1 与 n2 表示无功调节时一次函数项的 2 个参数；nd 表示有功
* n
式中：ωn 与 En 分别为第 n 台逆变电源实际输出输出角频率和输出电压幅值； ω 与 E 分别为第 n 台
* n
调节时微分项系数。对比式 (1)(2)通过将固定的功率比例项系数替换为功率与下垂系数的一次函数项，下垂系数根据功率的变化实现自适应调节，使功率与下垂系数乘积的变化维持在一个相对比较稳定的范围内。式(2) 暂不考虑微分项时，2 种方式下系统频率与有功功
* ?mP)/(2π) 率之间的关系对比如图 3 所示，即 f=( ω n * 与 f=( ω n ?(m1?m2P)P)/(2π)两条下垂曲线。
逆变电源空载时逆变器输出角频率和输出电压幅值； m 和 n 分别为有功功率和无功功率的下垂系数。可以获得如图 2 所示的有功下垂特性曲线。图 2 中：ωo 表示参考频率点；ω 表示接入一定负载且下垂系数为 m 时的输出电压频率；ω1 与 ω2 对应 1 号与 2 号逆变器输出电压角频率；m 与 m* 为 2 个大小不同的有功下垂系数； Δω、 Δω*与 ΔP、
* *
由图 3 可知，随着负荷功率的增加，传统下垂

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映出功率的变化趋势，以提高系统的动态性能。考虑到微分项的引入易使系统产生高频扰动甚至振荡，因此系数 md、 nd 应在并联系统运行稳定前提下合理选择，下一节将具体介绍微分项系数取值。根据上述思路可得改进下垂控制框图如图 5 所示。图 5 中：uo、io 分别表示逆变器负载电压与电流；
图 3 传统和自适应有功下垂控制方式下 P-f 对比 Fig. 3 Comparison of P-f between conventional active power droop control and adaptive active power droop control
E*表示逆变器输出空载电压幅值；φ 为逆变器输出电压相角；uref 表示控制器参考电压。
? = ?(m1 ? m2 P )
方法中频率呈线性递减趋势，而自适应下垂控制方法中频率在达到某一个功率点之后便基本趋于稳定，显著减少了频率的跌落。此外，即使负荷急剧变化，由于自适应下垂系数变化不大，输出电压波动也不会太大，提高了系统在负载突变时的稳定性。另一方面，功率下垂系数自身亦将对系统动静态性能产生重要影响[10,15]。由式(2)可知，改进方案中下垂系数 m1、m2、n1、n2 将共同作用影响系统稳定运 n1 的值仍然根据传统下垂控制方行性能，其中 m1、法确定，所增加的一次函数项系数 m2、n2 在 m1、 n1 确定的基础上取值。下面以有功系数 m2 取值为例进行分析，无功系数 n2 的确定方法类似。 m2 取不同数值时自适应下垂曲线对比见图 4。图 4 中，PS 为逆变器额定功率或者满发功率，m2 取值范围为 m1/PS≥m2≥0 时的一系列自适应下垂曲线。示为 2.2
Fig. 5
∫
t
?∞
Pdτ ? md P
E = E * ? ( n1 ? n2Q )Q ? nd
dQ dt
图 5 改进下垂控制框图 Block diagram of improved droop control
小信号建模与分析为进一步分析所提控制方法的动静态性能，对
并联系统进行小信号建模，系统的小信号模型可表
ωc U ? ?) ? + E cos ? ? ? ?= (sin ? ? e ?p s + ωc X ? (3) ? ωc U ?q ?) ? ? E sin ? ? ? ?= (cos ? ? e ? s + ωc X ? ? 、q ? 分别表示有功功率与无功功率的小信式中： p ?、? ? 分别表示逆变器输出电压的幅值和号扰动； e
相角的小信号扰动；X 为逆变器等效输出阻抗；U 为负载端电压幅值；ωc 为低通滤波器截止频率。由于在数字信号控制系统中对频率的调节是通过调整角度的大小实现，则逆变器输出电压相角 φ 可表示为
图 4 m2 取不同数值时自适应下垂曲线对比 Fig. 4 Comparison of adaptive droop curves with different value of m2
? = ? m ∫ Pdτ ? md P
?∞
t
(4)
? =s? ? 对式(2)进行小式中 m=m1?m2P。结合式(8)和 ω
由图 4 可知，首先分析 m2 取 2 个极限值时的系统运行性能。m2=0 时，即是传统下垂曲线，此时电压质量和波动无任何改善效果；由 m2=m1/PS 时的曲线可知，满功率运行时电压频率点恢复至额定值，此时将会导致下垂特性的环流抑制能力失去作用，并联系统可能崩溃。为确保全功率运行范围内都有一定的下垂特性，需使 m1?m2PS>0。因此，在 m1 确定的基础上，结合逆变器额定容量以及自适应下垂曲线的趋势，m2 可在 0.3m1/PS 与 0.8m1/PS 之间取值。同时，改进方案中通过引入功率微分项迅速反
信号扰动，并对其线性化处理可得
m1 2m2 P ?? ? ? ? md p )p ?φ = ?( ? (5) s s ? ? e ? ? ? ( n 2 n Q ) q n sq = ? ? ? 1 2 d ? ? 的逆变器并联根据式 (3) 和式 (5) 中可得关于 ?
系统的特征方程为 ? + Bs? ? + C? ?=0 ? + As 2? s 3?
其中，
(6)
A=
ωc
Xd
[2 X + nU cos ? + ndωcU cos ? + U )] X
mdUE (cos ? + ndωc

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B=
[ωc + nωcU cos ? + mUE (cos ? + Xd U U ndωc ) + mdωcUE (cos ? + n )] X X C = (ωc / X d )mωcUE[cos ? + n(U / X )]
ωc
′ λ1 ′ λ3
′ λ2
式中： Xd=X+ndωcUcosφ； m=m1?2m2P； n=n1?2n2Q。式 (6) 可用来评估逆变器并联系统稳定性能及动态性能。此外，通过对系数 A、B 和 C 中所包含的下垂参数进行合理设计，可确保系统获得更好的动态控制性能。利用系统小信号模型可分析不同参数匹配条件下的系统稳定性和动态性能，采用表 1 所示的系统参数，不同参量变化时系统的根轨迹见图 6、7。
表 1 无互联线逆变器并联电气参数 Tab. 1 Electric parameters of the wireless-parallel inverters
参数及单位电压幅值 E/V 额定容量 S/kVA 电压频率 f/Hz 固定参数有功下垂系数 m 固定参数无功下垂系数 n 自适应参数有功下垂系数 m1 自适应参数有功下垂系数 m2 自适应参数无功下垂系数 n1 自适应参数无功下垂系数 n2 自适应参数有功下垂微分项 md 自适应参数无功下垂微分项 nd 初始相角 φ/rad 截止频率 ωc/rad 滤波电感 L/mH 滤波电容/μF 155 2 60 0.000 1 0.001 0.002 0.000 000 5 0.002 0.000 000 5 0.000 01 0.000 3 0.001 5 10 0.3 10
d
(a) 传统下垂控制(n=0.001,0′ λ1 ′ λ3
′ λ2
(b) 自适应下垂控制(n=0.001,0d
取值
d
实轴 (c) 自适应下垂控制（n=0.001,0Fig. 6
图 6 不同控制方式下根轨迹 Root locus with different control methods
图 6(a)与图 6(b)分别是采用传统下垂控制与自适应下垂控制方式下有功下垂系数变化时的根轨 ′ 为传统下垂控制根轨迹；λn 为自适迹。图 6 中， λn 应下垂控制根轨迹； λdn 为自适应下垂控制引入一定的微分系数时的根轨迹。箭头表示随着 m 参数的增大所对应的系统根的变化趋势。由图 6(a)与图 6(b) 可知，随着 m 参数的增加，2 个共轭极点的根轨迹趋于远离负实轴的方向，并且传统控制方式下的 2 个共轭极点偏离负实轴的距离远大于自适应下垂方式下偏离负实轴的距离。由控制理论可知，共轭极点的等阻尼线越靠近实轴其阻尼越大，所对应的系统稳定性越好。图 6(b)与图 6(c)为自适应下垂控制方式中未加入微分项和加入微分项时，有功下垂系数变化时的根轨迹对比。由图 6(b)与图 6(c)可见，
Fig. 7 图 7 不同 md 时根轨迹 Root locus with different md
图 7 为 m=0.000 1 ， n=0.001 ， 0nd=0.000 01 时，有功微分项系数取不同数值时系统
在不同功率点的根轨迹簇。为确保系统从空载到满载都可以稳定运行，系统的根应分布在复平面的左半平面上。由图 7 可知，当 md 在一定范围之内系统是稳定的，超过这个范围系统将进入不稳定区域。在实际参数设计时，以此作为参考，则 md 的取值范围为 10?5 至 6×10?5 之间。
3 实验验证
为验证理论分析的正确性和可行性，在 2 台出口型电源产品中进行了该方案的验证，因此采用了
λd1、λd2、λd3 相对 λ1、λ2、λ3 更加远离虚轴，此时系
统抑制扰动的速度和动态调节速度相对更快，其动态效果优于未加微分项的情形。考虑到系统加入微分项带来的高频扰动可能使系统处于不稳定运行状态，其微分项系数应合理选取。
60 Hz 系统。实验平台拓扑结构如图 8 所示，其中
改进下垂控制部分框图如图 5 所示，系统实验参数请参见表 1。图 8 中：变量 Hil、Hio、HV 分别表示

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S1
S3
L Zload
L
S1'
S3'
U DC1
L S2 S4 Hi1 HV
C
C L
UDC2
Hio
Hio
HV
Hi1
' S2
' S4
门极驱动 S1—S4 PWM调制 ZOH PI uO1 il1 iO1
il1 uo1 io1 模块1电压电流采样值 uO1 PI uO1 改进下垂控制 iO1
io2
uo2 il2 模块2电压电流采样值
' 门极驱动 S1' —S 4
PWM调制 iO2 ZOH PI il2 uO2
uO2 iO2 改进下垂控制 PI uO2
图 8 逆变器并联运行实验平台拓扑结构 Fig. 8 Topology of experimental system for inverters parallel operation
电感电流、输出负载电流、输出负载端电压的采样系数；ZOH 表示描述数字控制特性的零阶保持器；
UDC1、 UDC2 表示 2 台逆变器的直流母线电压； uO1、 uO2 分别表示 1 号逆变器与 2 号逆变器输出负载端
电压； iO1、 iO2 分别表示 1 号逆变器与 2 号逆变器输出负载电流；il1、il2 分别表示 1 号逆变器与 2 号逆变器电感电流。图 9 为使用功率分析仪所获得的输出功率、电压频率以及电压幅值的趋势图，采样触发时间为
(a) 固定参数下垂控制下的有功与频率
50 ms，图 9(c)与图 9(d)中电压为有效值。电压幅值
测量显示以有效值为单位，为便于观察标注已转化为电压峰值。图 9(a)与图 9(b)分别为采用固定参数下垂控制和改进下垂控制时，系统接入相同有功负荷时输出电压频率的跌落对比情况。由图 9(a) 与图 9(b)可知，改进下垂控制电压频率精度明显提高，同时频率波动范围得到了缩小。图 9(c)与图 9(d)分别为接入相同电感量的感性无功负荷时输出电压的幅值的跌落对比情况。由图 9(c)与图 9(d)可知，改进下垂控制中电压幅值的跌落程度显著减小，其输出电压幅值的增加引起输出无功功率增加。由此可见，本文所提的改进下垂控制对输出电压质量具有良好的改善性能。图 10 与图 11 分别为采用改进下垂控制方式下，有功负荷从空载突加 1.8 kW，突卸至 0.9 kW；无功负荷从空载突加 1.6 kvar，突卸至 0.8 kvar 时，2 台逆变器的动态运行波形。图 10、11 中，u、i1、i2 分别表示逆变器负载端输出电压、1 号逆变器输出负载电流、2 号逆变器输出负载电流。由图 10、11 可知，负荷突变时，2 台逆变器始终能够快速实现功率均分，并稳定运行。
Fig. 9
(d) 改进下垂控制下的无功与电压幅值 (c) 固定参数下垂控制下的的无功与电压幅值 (b) 改进下垂控制下的有功与频率
图 9 固定下垂与改进下垂输出电压比较 Output voltage comparison between fixed droop control and improved droop control

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(a) 有功负载
图 10 改进下垂控制方式下突加及突卸有功负荷的动态响应 Fig. 10 Dynamic response of step active loads with improved droop control
(b) 无功负载
(c) 非线性负载
图 13 改进下垂系统接入不同特性负荷时稳态波形 Fig. 13 Steady-state waveforms of supplying different load with improved droop control
流性能，尤其是在加入非线性负载时，对谐波电流同样具有良好的均分效果。
4 结论
本文针对无互联线单相逆变器并联系统提出
Fig. 11 图 11 改进下垂控制方式下突加及突卸无功负荷的动态响应 Dynamic response of step reactive loads with improved droop control
了一种改进的自适应下垂控制方法。自适应下垂控制中，功率与下垂系数的一次函数项的引入提高了负荷变化时系统的输出电压精度和稳定运行性能，而功率微分项的引入明显改善了系统的动态调节性能。理论分析和实验结果证明了所提控制方法不仅具有较好的动态性能和均流效果，而且具有良好的适应不同负载特性的能力。由于本文所提控制策略分析所得结论是由 2 台电源组成的系统实验平台，针对多机并联运行的可行性以及相应实际性能效果正在进行进一步实验研究验证。致谢
图 12 为 2 台逆变器接入一定负荷稳定运行时突加扰动量时调节时间对比，该调节时间为系统恢复至功率均分稳定状态所用时间，此处该扰动设定为相角量。由图 12 可知，在相同的扰动条件下，采用微分控制的调节时间较未采用微分控制的时间缩短 30 ms 左右，系统动态性能得到提高。图 13 为所提控制方案在接入不同性质负载时稳态运行的实验波形。由图 13 可知，并联系统对以上 3 种特性的负载均能满足稳定运行时较高的均
电流(10 A/格)
本文得到了输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室自主研究项目 (2007DA10512713201) 的资助，谨此致谢！
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Fig. 12
图 12 突加扰动时调节时间对比 Comparison of regulation time with disturbance

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收稿日期：2014-09-20。作者简介：姚骏(1979)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事电机及其控制、电力电子与电力传动、风电技术以及新能源电能变换技术的研究，E-mail： topyj@https://www.wendangku.net/doc/ac15532565.html,；杜红彪(1987)，男，硕士研究生，主要从事电姚骏力电子技术及微电网技术的研究；周特(1990)，男，硕士研究生，主要从事电机及其控制以及风电技术的研究；谭义(1991)，男，硕士研究生，主要从事电力电子技术以及风电技术的研究。
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[10] 张尧，马皓，雷彪，等．基于下垂特性控制的无互联线逆变器并联动态性能分析[J]．中国电机工程学报，2009，29(3)：42-48． Zhang Yao ， Ma Hao ， Lei Biao ， et al ． Analysis of dynamic performance for parallel operation of inverters without wire connections[J]．Proceedings of the CESS，2009，29(3)：42-48(in Chinese)．
（责任编辑
徐梅）

四桥臂三相逆变器的控制策略

四桥臂三相逆变器的控制策略阮新波严仰光摘要提出了一种新型的三相四线逆变器，它有四个桥臂，第四个桥臂用来构成中点，从而省去了三相三桥臂逆变器中的中点形成变压器，减小了逆变器的体积和重量。针对这种逆变器，本文提出了一种电流调节器，它根据三相滤波电感电流和给定电流的误差值最大的那相选择逆变器的开关模态。为了消除输出相电压的静态误差，本文讨论了一种基于PI调节器改进的电压调节方案。仿真结果表明，本文的思路是可行的。本文为构造大功率、高效率的三相四线逆变器提供了可靠的理论基础。关键词：三相逆变器控制策略 The Control Strategy for Three-Phase Inverter with Four Bridge Legs Ruan Xinbo Yan Yangguang （Nanjing University of Aeronaut ics & Astronautics 210016 China） Abstract A novel three phase inverter with four bridge legs i s presented in this paper.The inverter eliminates the neutral forming transforme r by adding a bridge leg to form neutral point to provide balanced voltages to a ny kinds of three phase loads.The principle of the inverter is analyzed,and a ne w current regulator,which chooses switching modes a ccording to the maximum cur rent error of filter inductance current and the reference current is proposed.Th e modified voltage regulator on the basis of PI regulator is proposed to elimina te output voltage static error under any load conditions. Keywords:Three-phase Inverters Control strategies 1 引言三相逆变器一般是采用三个桥臂组成的拓扑结构，为了给不对称负载供电，必须在输出端加入一个中点形成变压器(Neutral Formed Transformer，NFT)，如图1所示。中点形成变压器是变比为1的自耦变压器，工作频率为输出交流电的频率，体积和重量很大，而且体积和重量随着负载不对称的程度变化而变化，不对称度越大，NFT的体积重量也就越大。

逆变器的下垂控制

下垂控制的原理是什么。？下垂控制是并网逆变器的常用控制原理，但是具体下垂控制的深层原理和物理含义是什么啊？查到的几乎所有的文献对此都是基于下垂控制XXXX、仿照同步发电机下垂特性XXXX，却没有一个真正说清楚仿照哪了，电机书上对同步发电机的下垂特性也没讲清楚其物理原理。向各位知乎大神求教，我看网上也有很多问这个的却没有一个回答说清楚的。添加评论分享简单来说，所谓下垂控制就是选择与传统发电机相似的频率一次下垂特性曲线（Droop Character）作为微源的控制方式，即分别通过P/f下垂控制和Q/V下垂控制来获取稳定的频率和电压，这种控制方法对微源输出的有功功率和无功功率分别进行控制，无需机组间的通信协调，实现了微源即插即用和对等控制的目标，保证了孤岛下微电网内电力平衡和频率的统一，具有简单可靠的特点。—————————————————————————————————————————— 补充说一说。学过电机学都知道，发电机有个功角特性曲线，其中凸极同步发电机的无功功率表达式是：有功功率表达式：我们可以看出，通过控制U和功角来控制有功功率P和无功功率Q。那么反过来，可以通过控制有功功率P和无功功率Q来控制U和功角所以，微电网中的常规下垂控制是通过模拟传统发电机的下垂特性，实现微电网中微电源的并联运行。其实质为：各逆变单元检测自身输出功率，通过下垂特性得到输出电压频率和幅值的指令值，然后各自反相微调其输出电压幅值和频率以达到系统有功和无功功率的合理分配。逆变器输出电压频率和幅值的下垂特性为：

其中w0，U0分别为逆变器输出的额定角频率，额定电压。kp，kq为逆变器下垂系数。P,Q 分别为逆变器实际输出的有功功率和无功功率。P0，Q0分别为逆变器额定有功和无功功率。由上式我们可以得到三相逆变器常规的P-f 和Q-U 下垂控制框图。注：常规下垂控制是在系统并联逆变器的输出端等效阻抗为大电感的条件下推导得到的。然而不同电压等级的连接线路对应不同的阻感比。在电压等级较低的线路中，阻感比相对较高。加之每个逆变器到交流母线的距离不同，线路越长，线路电阻越大，可能会导致线路电阻相对线路感抗较大，常规下垂控制已经不能满足低压微电网控制的需求。所以就有了一种改进型功率耦合下垂控制策略。因为低压微电网中线路阻抗的影响已经不能完全忽视，有功功率和无功功率对电压和频率的调节存在耦合关系。逆变电源输出的有功功率P和无功功率Q可以写为：单台逆变器到交流母线的功率传输示意图：

逆变器下垂控制原理及控制方法

0x x x x V V n Q =- 其中，x ω、0 x V 分别为x 台逆变器空载时输出电压的频率和幅值，x m 、x n 分别为x 台逆变器输出电压的频率、幅值的下垂系数，如下图2所示。图2（a ）可以看出，由于逆变器自身特性的差异所造成的逆变器并联运行时输出功率的差异随着频率和幅值下垂系数的增大而减小，但是随着下垂系数的增大电压的偏离度也会随之增大。因此在实际设计中需要在负载均分度和电压偏离度之间进行折中考虑。图2（b ）表明利用下垂特性选择不同的下垂系数，可以使不同容量的逆变器并联运行并按其单位容量均分负载，其下垂系数选择如下： 11221122x x x x m S m S m S n S n S n S == ====

图2.频率和幅值下垂特性 3.控制方法：实际应用的外特性下垂并联控制方法主要是两种：一、负载电流前馈方式，二、减弱电压控制环方式。负载电流前馈控制方法的特点是各个模块的电压调节器均为无静差的PI调节器，且电压环给定随着负载电流的增大而减小。减弱电压环的控制框图如图3所示：

离网逆变器控制策略

逆变器控制策略: 逆变器的控制目标是提高逆变器输出电压的稳态和动态性能。稳态性能主要是指输出电压的稳态精度和提高带不平衡负载的能力;动态性能主要是指输出电压的THD 和负载突变时的动态响应水平。在这些指标中输出电压THD 要求比较高,对于三相逆变器,一般要求阻性负载满载时THD 小于2%,非线性满载(整流性负载)的THD 小于5%。 1、离网逆变器的控制性能要求主要是使其输出电压具有良好的控制抗扰性。离网逆变器采用输出电容电流内环和输出电压外环的双闭环控制。电流调节器可以实现快速加减速和电流限幅作用，同时使系统的抗电源扰动和负载扰动的能力增强。电压调节器主要是控制输出电压的稳定。 2、基于LC 滤波器的离网型逆变器图2 基于LC 滤波的电压型离网逆变器主电路图3 基于LC 的VSI 输出电压单闭环控制结构图5 基于电容电流反馈的单位调节器内环控制结构 1VD 3VD 5VD 2VD 6VD 4VD 1 V 3V 5V 4V 6V 2V U V W dc C C R L dc u + -L i o i C i L u C u i u 调节器 PWM K 1sL R +-i u o i C *u C u L i -1sC -C i ? ? ?C u L u *Cq u cq u PI P PWM K 1sL sC 1iq u C *i C i ????oq i +----

图14 基于同步坐标系的LC-VSI 双环控制结构 PI PI P P Inv.Park Trans Inv.Clarke Trans SPWM Generator Clarke Trans Park Trans Clarke Trans Park Trans *q s U *sd U sd U q s U *sd I *q s I q s I d s I a s I βs I A U βs U a s U B U A I B I 1 1ov T s +11 e T s +1 1oi T s +PI 1Ls 1Cs P 11 oi T s +11 ov T s +*Cq u C *i iq u oq i cq u C i +-+- + -+ -电流内环

光伏并网逆变器控制策略的研究

题目：光伏并网逆变器控制策略的研究

光伏并网逆变器控制策略的研究摘要世界环境的日益恶化和传统能源的日渐枯竭，促使了对新能源的开发和发展。具有可持续发展的太阳能资源受到了各国的重视，各国相继出台的新能源法对太阳能发展起到推波助澜的作用。其中，光伏并网发电具有深远的理论价值和现实意义，仅在过去五年，光伏并网电站安装总量已达到数千兆瓦。而连接光伏阵列和电网的光伏并网逆变器便是整个光伏并网发电系统的关键。本文通过按主电路分类、按功率变换级数分类和按变压器分类的三大类划分逆变器的方法分别介绍了每个逆变器电路的拓扑结构。之后本文首先介绍了国内外并网逆变器的研究状况以及相关并网技术标准，比较了当前主流的控制技术。然后,详细的阐述了光伏并网发电逆变器系统的整体设计和各单元模块的设计,其中包括太阳能电池组、升压斩波电路、逆变电路和傅里叶变换。在简要介绍了系统的结构拓扑和控制要求之后，论文重点研究了基于电流闭环的矢量控制策略，阐述了其拓扑结构、工作原理及运行模式。为了深入研究控制策略，分别建立了基于电网电压定向的矢量控制和基于虚拟磁链定向的矢量控制。最后，本文针对几种产生谐波的原因，对L、LC、LCL 三种滤波器进行了比较分析。最后，本文对光伏并网的总系统进行了MATLAB仿真，由于时间的限制，只做出了通过间接控制电流从而达到控制有功无功公功率的仿真。关键词：光伏并网，逆变器电路拓扑，电流矢量控制，谐波

PHOTOVOLTAIC (PV) GRID INVERTER CONTROL STRATEGY RESEARCH Abstract World deteriorating environment and the increasing depletion of traditional energy sources prompted the development of new energy and development. Solar energy resources for sustainable development has been national attention, solar countries have contributed to the severity of the introduction of the new energy law developments. Among them, the photovoltaic power generation has profound theoretical and practical significance, only in the past five years，the total installed photovoltaic power plant has reached thousands of megawatts. Connected PV array and grid PV grid-connected inverter is the whole key photovoltaic power generation system. Based classification by main circuit and the power level classification and Division of three categories classified by transformer inverter of methods each inverters circuit topologies are introduced.This article introduces the domestic and foreign research on grid-connected inverters and related technical standards for grid-connected, compared the current mainstream technology.Then detail a grid-connected photovoltaic inverter system design and the modular design, including solar arrays, chop-wave circuit, inverter circuits and Fourier transform. Briefly introduces the system topology and control requirements, this paper focuses on the current loop-based vector control strategies, describes the topological structure, working principle and its operating mode.In order to study the control strategies were established based on power system voltage oriented vector control based on virtual flux-oriented vector control.Finally, for several reasons for harmonic, l, LC, LCL compares and analyses the three types of filters. Keywords:Photovoltaic, inverters circuit topologies, current vector control, harmonic

功率下垂控制原理对逆变器并联系统的按容分配负荷问题

功率下垂控制原理对逆变器并联系统的按容分配负荷问题南昌航空大学信息工程学院、科华恒盛股份有限公司、钦州学院物理与电子工程学院的研究人员刘斌、卢雄伟、熊勇等，在2015年第21期《电工技术学报》上撰文，对于非同等功率等级的逆变器无线并联系统而言，因为均分系统负荷可能导致小容量逆变器无法工作，所以必须让负荷按照正比于逆变器模块容量的方式实现分配。围绕下垂控制原理，通过对输出电压幅值和频率进行收敛性分析，推导出逆变负荷按容分配的充分条件，这一充分条件对下垂控制系数的确定具有很好的指导作用。此外，通过引入虚拟阻抗法和双环调节器，搭建了由两台不同容量的逆变器组成的微电网系统。最后通过仿真和实验验证了该理论分析的有效性。一方面，随着国民经济的发展，电力需求也在迅速增长，但一味地扩大电网规模不能满足电力供应的要求。另一方面，20世纪60年代的几次大型停电事故引发了科研人员对分布式发电系统潜在效益的重视。分布式电源尽管优点突出，但是它相对于电网而言是一个不可控源，微电网便是在这种环境下应运而生的。它从系统角度出发将分布式电源、负荷、储能装置及控制装置等模块看成一个单一可控的单元，既可以与电网联网运行，也可以在电网出现故障或系统需要脱网时与主网断开单独运行。微电网的这种灵活可调度性，使得它可以成为未来大型电网的有力补充和有效支撑，也正因为如此，近年来关于微电网的研究引起了社会和学术界的广泛关注。在微电网控制策略中，最常见的有三种。即在并网运行时采用PQ控制，在孤岛运行时采用V/f控制或者下垂（droop）控制。由于本文侧重考虑的是微电网孤岛运行时的负荷分配问题，而基于单个V/f微电源主从控制方式对主控电源的容量要求较高，整个微电网对主电源依赖性过高，因此最终选用基于下垂控制的微电源对等控制方式作为本文负荷分配的控制策略。此外，依据逆变器之间是否存在互联线，可以将逆变器并联技术分成有互联线并联和无互联线并联两大类，前者因为有互联线的存在而限制了逆变器模块之间的距离，相比而言无互联线并联技术具有更好的发展前景。其中，实现无互联线并联技术[7-8]的关键是按照输

逆变电源控制算法哪几种

https://www.wendangku.net/doc/ac15532565.html,/ 逆变电源广泛运用于各类：电力、通讯、工业设备、卫星通信设备、军用车载、医疗救护车、警车、船舶、太阳能及风能发电领域。在电路中将直流电转换为交流电的过程称之为逆变，这种转换通常通过逆变电源来实现。这就涉及到在逆变过程中的控制算法问题。只有掌握了逆变电源的控制算法，才能真正意义上的掌握逆变电源的原理和运行方式，从而方便设计。在本篇文章当中，将对逆变电源的控制算法进行总结，帮助大家进一步掌握逆变电源的相关知识。逆变电源的算法主要有以下几种。数字PID控制 PID控制是一种具有几十年应用经验的控制算法，控制算法简单，参数易于整定，设计过程中不过分依赖系统参数，可靠性高，是目前应用最广泛、最成熟的一种控制技术。它在模拟控制正弦波逆变电源系统中已经得到了广泛的应用。将其数字化以后，它克服了模拟PID控制器的许多不足和缺点，可以方便调整PID参数，具有很大的灵活性和适应性。与其它控制方法相比，数字PID具有以下优点：

https://www.wendangku.net/doc/ac15532565.html,/ PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，控制过程快速、准确、平稳，具有良好的控制效果。 PID控制在设计过程中不过分依赖系统参数，系统参数的变化对控制效果影响很小，控制的适应性好，具有较强的鲁棒性。 PID算法简单明了，便于单片机或DSP实现。采用数字PID控制算法的局限性有两个方面。一方面是系统的采样量化误差降低了算法的控制精度；另一方面，采样和计算延时使得被控系统成为一个具有纯时间滞后的系统，造成PID控制器稳定域减少，增加了设计难度。状态反馈控制状态反馈控制可以任意配置闭环控制系统的极点，实现了逆变电源控制系统极点的优化配置，有利于改善系统输出的动态品质，具有良好的瞬态响应和较低的谐波畸变率。但在建立逆变器的状态模型时将负载的动态特性考虑在内，因此状态反馈控制只能针对空载和已知的负载进行建模。由于状态反馈控制对系统模型参数的依赖性很强，使得系统的参数在发生变化时易导致稳态误差的出现和以及动态特性的改变。例如对于非线性的整流负载，其控制效果就不是很理想。

逆变器下垂控制原理及控制方法

2.逆变器并联下垂控制原理： 01 Z 02 Z 22 ?∠?1V ?∠? 图1.两台逆变器并联运行的等效电路图1中，运用电路理论的知识，并忽略阻抗01Z 和02Z 中的阻性部分，可得出逆变器1输出地有功功率和无功功率的表达式为： 1 101 sin VV P X ?= ? 2 1101 cos VV V Q X ??-= 在并联逆变器输出电压相角??很小的情况下，s i n ???≈?和 cos 1??≈ 成立。将其代入有功功率和无功功率的公式可以知，逆变器输出地有功功率主要由相角差??决定，而无功功率主要由幅值X V 决定。基于以上分析，在逆变器并联系统中可以借助同步发电机的自下垂特性，引入有功功率和无功功率的调节作用，分别来调节逆变器输出电压的幅值和频率，即： 0x x x x m P ωω=- 0x x x x V V n Q =- 其中，x ω、0x V 分别为x 台逆变器空载时输出电压的频率和幅值，x m 、x n 分别为x 台逆变器输出电压的频率、幅值的下垂系数，如下图2所示。图2（a ）可以看出，由于逆变器自身特性的差异所造成的逆变器并联运行时输出功率的差异随着频率和幅值下垂系数的增大而减小，但是随着下垂系数的增大电压的偏离度也会随之增大。因此在实际设计中需要在负载均分度和电压偏离度之间进行折中考虑。图2（b ）表明利用下垂特性选择不同的下垂系数，可以使不同容量的逆变器并联运行并按其单位容量均分负载，其下垂系数选择如下： 11221122x x x x m S m S m S n S n S n S ===== =

图2.频率和幅值下垂特性 3.控制方法：实际应用的外特性下垂并联控制方法主要是两种：一、负载电流前馈方式，二、减弱电压控制环方式。负载电流前馈控制方法的特点是各个模块的电压调节器均为无静差的PI调节器，且电压环给定随着负载电流的增大而减小。减弱电压环的控制框图如图3所示：图3.减弱电压环方式的控制框图

储能逆变器的控制策略研究

储能逆变器的控制策略研究发表时间：2018-05-30T10:13:41.427Z 来源：《电力设备》2018年第1期作者：杜学平 [导读] 摘要：目前我国经济发展十分快速，电力行业越来越普遍，随着分布式电源不断接入电网和微电网系统的发展，微电网对系统的运行稳定性及供电可靠性都提出了一定的要求。（青岛科技大学自动化与电子工程学院山东青岛 266199）摘要：目前我国经济发展十分快速，电力行业越来越普遍，随着分布式电源不断接入电网和微电网系统的发展，微电网对系统的运行稳定性及供电可靠性都提出了一定的要求。储能系统应运而生，储能系统可以存储过剩的电能，在发电能力较弱时再放出电能给负载供电，实现削峰填谷，完美解决新能源间歇性发电的问题。储能系统在微电网中发挥着非常重要的作用，而储能逆变器又是储能系统中的核心部分，因此储能逆变器的控制策略研究是非常有实用价值的。关键词：储能；逆变器；控制策略；研究 1系统结构和基本原理图1 系统结构简图以电池为介质的储能系统主要由电池及其管理系统（风能、太阳能的储能系统）和能量转换系统（ＰＣＳ）两个部分组成（如图1所示）。电池通过ＰＣＳ与电网交换能量（或离网负载），根据实际需要储存或释放能量。作为电池与大电网之间接口的ＰＣＳ，实际上是大功率的电力电子变流器，此处ＰＣＳ特指储能逆变器（储能变流器）。常见的储能逆变器分为单级型和多级型两种主要形式。单级型储能变流器的拓扑仅由一个ＡＣ／ＤＣ环节构成，其优点是结构简单、控制方法简便，逆变器损耗低，能量转换效率高。但是存在以下缺点：1）一个AC-DC不可以充分多路输出；2）电池电压的工作范围不能灵活控制；3）电池电压固定不能灵活分配。由于以上确定我们选择两多级型，我们选择两级，增加一级隔离DC-DC的控制，该级控制可以根据功率灵活的扩展DC-DC通道的数量和输出电压的大小（如图2所示）。 1.1 AC-DC部分介绍： AC-DC部分拓扑采用三电平，其中开关频率为20K，功率器件为：初步选定英飞凌的DF100R07W1H5FP_B3的IGBT模组。此部分效率可达到98%。在大功率PWM变流装置中，常采用三点式电路，这种电路也称为中点钳位型（Neutral Point Clamped）电路（如图3所示）。与两点式PWM相比，三点式PWM调制主要有以下优点，一是对于同样的基波与谐波要求而言，开关频率可以低得多，从而能够大幅度减少开关损耗；二是主功率器件断开时所承受的电压仅为直流侧电压的一半，因此这种电路应用在高电压大容量的产品上特别合适。在控制策略方面，在传统的PWM整流器双闭环控制的基础上，采用内模控制代替电流内环PI调节器，以提高系统的鲁棒性能、跟踪性能和动态响应能力。图2 两级PCS框图图3 AC-DC主原理图 1.2 DC-DC部分介绍： DCDC部分拓扑采用CLLC准谐振开关技术，开关频率100K或者是更高频率，功率器件采用单管MOS并联组成（并联数量根据功率确定，具体原理框图见图4）。功率器件为：初步选定英飞凌的IRFP4668P6F。此部分效率可达到90%以上。隔离DC/DC部分采用CLLC谐振软开关技术，它应用谐振的原理，使开关器件中的电流（或电压）按照正弦或标准正弦规律变化。当电流通过零点时，使器件关断（或电压为零时，器件打开），从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题并且还能解决二极管反向恢复问题，对于由于硬开关引起的EMI 等问题也有很好的改善。这种拓扑结构，电路结构简单，工作效率高，并在输入电压和负载变化范围很宽的情况下依旧具有良好的电压调节特性，不仅可以在原边实现开关管 ZVS，还可以使副边整流管实ZCS，且原副边管子的电压应力较低。图4 DC-DC 原理框图 2、几种必要的控制模式 2.1并网模式到孤岛模式：储能逆变器并网模式到离网模式的切换分为两种主动切换和被动切换。主动切换指人为的把储能逆变器离网；被动切换指因电网故障或者电压过低等原因，储能逆变器受到不良影响，把储能逆变器切离电网ＰＷ。主动切换情况下，电网电压幅值和频率等指标正常，此时模式切换策略较为简单，只需要提供一个与电网电压相同的量作为离网模式下储能逆变器控制策略的参考值，在断开开关的同时控制方式切换为ＶＦ，电压外环给定值为电网电压幅值和频率。被动切换情况下，电网电压幅值和频率等指标可能不正常，此时的控制策略需参考

微电网控制策略研究

微电网控制策略研究 1.分布式电源及其等效模型 1.1分布式电源的定义国际上关于分布式发电的定义较多，没有形成对分布式发电的统一定义，不仅不同国家和组织，甚至是同一国家的不同地区对分布式发电的理解和定义都不尽相同，以下是几种比较有代表性的：（1）国际能源署对分布式发电的定义为：服务于当地用户或当地电网的发电站，包括内燃机、小型或微型燃气轮机、燃料电池和光伏发电技术，以及能够进行能量控制及需求侧管理的能源综合利用系统；（2）美国《公共事业管理政策法》对分布式发电的定义为：小规模、分散布置在用户附近，可独立运行、也可以联网运行的发电系统；（3）丹麦对分布式发电的定义为：靠近用户，不连接到高压输电网，装机规模小于10MW的能源系统；（4）德国对分布式发电的定义为：位于用户附近，接入中低压配电网的电源。接入电压等级限制为20kV，主要包括光伏、风电和小水电；（5）法国对分布式发电的定义为：接入低压配电网，直接向用户供电的电源。接入电压等级限制为20kV，容量限制为10MW，主要是热电联产、小水电和柴油机。综合以上几种定义的共同点，可以认为分布式电源指的是以新能源发电为主，容量较小且靠近负荷中心的发电设备，如小型风力发电机和光伏电池等。目前，微电网示范工程中的分布式电源主要包括柴油机、微型燃气轮机、小型水力发电机、小型风机、燃料电池和光伏电池，此外，还有少数的生物柴油机、液流电池、超级电容、飞轮储能等。 1.2分布式电源的并网方式虽然各种分布式电源都可以接入微电网为负荷供电，但由于它们自身的一下特点和微电网对电能质量及供电可靠性的要求，各类分布式电源的并网方式不尽相同。小型水力发电机、鼠笼型异步风机和柴油机等小型常规发电机输出稳定，可直接并网。光伏电池、燃料电池和直流风机等直流分布式电源输出直流电，通常需要经逆变器接入交流微电网，这种并网方式称为直—交式并网。微型燃气轮机和同步风力发电机输出幅值频率变化的交流电电气量,需要整流逆变后才能并网，这种并网方式称为交—直—交并网，对应的分布式电源统称交直