下垂控制逆变器中并网功率控制策略

浙江大学电气工程学院的研究人员陶勇、邓焰、陈桂鹏、何湘宁，在2016年第22期《电工技术学报》上撰文指出，下垂控制策略广泛应用于交流微电网中，可以实现并网模式和孤岛模式的无缝切换以及不同逆变器之间的功率均流。

然而，在目前的研究工作中，并网模式下的工作性能却很少被考虑到。实际上，并网模式下的功率控制会受到电网频率以及电网电压幅值波动的影响，并且传统下垂控制中无功功率控制本身就存在静态误差。

因此提出了电网频率和电网电压幅值前馈控制来抑制电网波动对功率控制的影响，另外基于此提出公共耦合点电压幅值控制实现无功功率的无静差跟踪。基于提出的控制策略实现了下垂控制逆变器并网功率的精确稳定控制。

通过将新能源发电与其他微源发电相结合，微电网可以提供比较可靠的电能[1-3]。另外，下垂控制策略广泛应用于交流微电网中，作为底层控制策略实现并网模式与孤岛模式之间的无缝切换[4,5]以及不同逆变器之间的功率均流[6,7]。在最近的研究中，多数是对下垂控制策略在孤岛模式下的工作进行了深入研究和分析[8-15]，而并网模式下的工作性能分析研究却很少。

实际上，电网的工作并不是理想的，其存在着频率和电压幅值的波动。其中，电网电压幅值波动主要是因为负荷投切造成的，而电网频率波动则主要是因为发电机的输入功率和输出功率之间的不平衡所造成的[16]。下垂控制的功率流对于电网电压幅值波动和电网频率波动是非常敏感的。下垂控制环路中采用纯积分器[6,13]可以提高并网模式下功率控制的准确度，但是在孤岛模式下当整个逆变器的目标输出功率与负载不匹配时，积分会出现饱和，从而导致下垂控制的无缝切换性能无法实现。

另外，文献[17]中采用了牛顿-拉弗逊迭代算法嵌入到下垂控制中，提高功率环路的动态响应，并且可以实时评估系统的参数。但这种方法计算负担大并且没有考虑到并网模式下的电网波动影响。另外，在无功功率控制环路中引入了积分环节，也会造成孤岛情况下无功功率负载不匹配时出现的积分饱和。文献[18-20]采用了不同的控制算法来抑制线路阻抗造成的无功功率分配不均问题，然而这些方法都没有考虑并网情况下的电网波动对无功功率的影响。

为了分析下垂控制策略在并网模式下的工作性能，解决并网模式情况下功率控制问题，本文首先分析了并网情况下电网电压幅值波动和电网频率波动对于功率潮流控制的影响。进而提出了电网电压幅值前馈和电网频率前馈来抑制电网波动的影响，并且对该控制算法的相关性能进行了详细的分析研究。

另外，基于传统下垂控制算法和所提出前馈控制算法的无功功率控制存在静态跟踪误差的问题，提出了基于公共耦合点电压幅值控制的方法来实现无功功率的精确跟踪。通过将电网电压幅值与电网频率前馈控制和公共耦合点电压幅值控制相结合，实现下垂控制逆变器在并网模式下的精确功率控制，该算法在系统切换到孤岛模式时可以主动识别，保证下垂控制策略的模式无缝切换功能。

结论

1）建立了整个系统的模型，并且在所提出的模型基础上分析了传统下垂控制策略在电网存在电压幅值和频率波动情况下功率控制所受的影响。

2）提出了PCC电压幅值和频率前馈的方法，该方法可以很好地抑制电网波动对于功率控制的影响。另外，分析了该方法的具体性能，发现提高锁相环带宽有助于进一步抑制电网波动的影响。该方法在孤岛情况下形成的正反馈有助于孤岛检测，从而保证并网模式与孤岛模式之间的无缝切换。

3）基于所提出的前馈控制策略存在无功功率跟踪静态误差的问题，提出了改进型的功率控制策略。该策略通过在无功功率下垂环路引入PCC电压幅值控制环，使得无功功率下垂环路中存在积分环节，能够实现对于无功功率的无静差跟踪。另外，所提出的改进型功率控制策略仍然可以保证与所提前馈控制策略对于电网波动影响同样的抑制作用，并且实现下垂控制逆变器并网功率的精确控制。