项目背景
近年来，社会经济的迅速发展导致人们对电能的需求日益提升，微电网以其污染少、效率高、可控性好等优点，受到越来越多的关注。在实际运行中，微电网基于即插即用(plug and play)与对等(peer to peer)的控制思想和设计理念，不依赖通信，对每个微电源进行就地控制，以降低系统控制成本和增加控制的可靠性。应用这种控制思想，下垂控制策略在微电网中得到了广泛的应用。
传统下垂控制方法是基于各并联逆变器的系统等效阻抗呈感性的，对线路的阻感比依赖性较大。然而实际中，微电网多位于低压配电侧，线路阻抗呈阻性或阻感性(R/X>>1)，逆变器输出的有功功率、无功功率分别与频率、电压存在耦合关系，传统下垂控制方法不再适用。目前，解决这一问题常用的方法是通过改变线路的阻感比，使之满足传统下垂控制的要求，即在微电源的逆变器输出端口处串联一个大电感，但这必然会导致系统体积成本和损耗增加，总效率降低。
针对这一问题，有文献提出改变控制环节的网络参数使逆变器输出阻抗呈感性，使有功功率与无功功率解耦，以适应新的下垂控制策略，这导致了控制策略对网络参数的依赖性较大，而且实际上有功与无功也没有完全解耦。实际微电网的控制中，逆变器的控制处在微电源站内部，控制策略对网络参数的依赖以及对外部线路尤其是低压微电网的线路阻抗的忽略，往往会导致系统运行失稳与控制的不利。有文献引入了虚拟阻抗将逆变器的等效输出阻抗设计成阻性，能较好地适用于下垂控制策略，取得了较好的控制效果，但引入的虚拟阻抗会加大系统的等效阻抗，造成较大的电压降落，不利于供电质量的保证。有文献提出了“虚拟负电阻”的概念，增加负电阻以抵消系统阻抗中的阻性成分，降低功率耦合，同时也减少了电压降落，但其虚拟负阻抗的取值对计算要求较高，需要对微电网线路阻抗有较高的估算精度。
针对上述问题，本文将在低压微电网三相逆变器的控制策略中引入动态虚拟阻抗，以降低功率耦合，减小电压降落和环流，实现对低压微电网电能质量灵活而有效的控制。
下垂控制策略分析
上述控制只能适用于高压微电网中线路阻感比呈感性的状况，对线路的阻抗忽略不计，其上层控制管理系统给出的指令电压值固定不变，没有考虑线路阻抗及负荷的变动，而实际中微网尤其是低压微网的线路阻抗是较大的，负荷的接入和退出对电压波动影响较大，继续采用传统的下垂控制策略会导致系统不稳定，控制不精确，电压质量不高等问题。因此，对传统下垂控制策略进行改进是十分必要的。
为更好地提高低压微电网中分布式电源的利用率，目前对传统下垂控制策略进行改进多集中在通过选取合适的控制参数，减少系统阻性成分，降低系统功率耦合，减小系统阻抗对系统电能质量的不利影响。
因此，微电网多逆变器并联的改进下垂控制算法可以写为
动态虚拟阻抗控制策略
基本的虚拟阻抗控制策略
目前在微电网中接入虚拟阻抗的方法主要有两大类：一是通过改变逆变器的控制参数，控制调节逆变器的等效输出阻抗，改变微电网的系统阻感性以适应传统的下垂控制策略;二是在微电网逆变器中加入前馈控制环节，参照电压降落调节指令电压，达到模拟实际阻抗的作用。虚拟阻抗的接入，虽然改变了系统的阻感性，但其阻性成分的客观存在仍然会导致系统的功率耦合，忽略阻性成分的影响必然会减弱控制策略的控制效果。
目前对微电网逆变器控制策略的改进多在控制环节中加入虚拟阻抗(包括虚拟电阻和虚拟电感两部分)，改善线路阻感性，使Pf-QV下垂控制能够适用于阻性线路。
基于虚拟阻抗的双环控制策略
并联逆变器控制采用基于虚拟阻抗的电压电流双闭环控制，基于虚拟阻抗的下垂控制为电压电流环提供了电压参考值。为了得到较好的电压调节特性，电压外环采用比例积分(PI)调节器，产生电感电流参考值，对电感电流的精度要求不高，所以电感电流调节环采用比例调节器，减少系统稳态误差，提高系统的供电质量和稳定性。
图1 电压电流双闭环控制框图
基于电压降落的动态虚拟阻抗的设计
为了提高负荷供电质量，减少电压降落和环流对电能质量的影响。本文提出动态虚拟阻抗的解决方法。
仿真及实验验证
本文基于Matlab/Simulink仿真平台建立了如图2所示的基于动态虚拟阻抗的微电网逆变器多环控制框图，以验证所提控制策略的有效性。其他参数两逆变器均相同，仿真参数见表1，f =50 Hz，fs= 10 kW，Pload=10 kW，Qload=3 kvar。
图2 基于动态虚拟阻抗的微电网逆变器多环控制框图
表1 系统主要参数
图3为加入动态虚拟阻抗前后并联逆变器输出电压对比图。加入动态虚拟阻抗前，逆变器输出电压幅值约290 V，而系统给定的额定电压为311 V，电压降落明显，而加入动态虚拟阻抗后，逆变器输出电压幅值约310 V，表明动态虚拟阻抗减少了由线路阻抗引起的电压降落，为提高负荷供电电压质量提供了保障。
图3并联逆变器输出电压对比图
图4为加入动态虚拟阻抗前后逆变器之间的环流对比图，由图4(a)和图4(b)可以看出，加入动态虚拟阻抗前，逆变器之间的环流为0.3 A左右，而加入动态虚拟阻抗后的逆变器间的环流为0.05 A左右，环流明显得到了更为有效抑制。
图4 环流对比图
如图5所示，当逆变器输出阻抗呈阻感性时，加入动态虚拟阻抗后的下垂控制策略下，系统频率趋于稳定的速度更快，系统能更快地进入稳态运行。由此可见，加入动态虚拟阻抗之后，下垂控制在频率调节时效果更优。
图5 频率对比图
逆变器输出阻抗呈阻感特性时，加入动态虚拟阻抗前后2台逆变器输出有功功率和无功功率对比图如图6和图7所示。加入动态虚拟阻抗前的有功和无功均分效果不好，稳定性不佳，而加入动态虚拟阻抗后的控制策略在0.01 s时就已进入稳定控制，说明加入动态虚拟阻抗后，控制策略能较好地实现有功功率和无功功率的均分。
图6 两台逆变器输出有功功率对比图
图7 两台逆变器输出无功功率对比图
结论
(1) 采用动态虚拟阻抗可使低压微网中并联逆变器的系统阻抗呈可调节性，在加强对功率的控制的同时减小了系统电压降落，较好地解决了功率的合理均分问题，且环流得到了有效抑制。
(2) 考虑阻感比的改进下垂控制策略，在加入动态虚拟阻抗之后，降低了对线路参数的敏感度，反馈环节使功率控制器具有恒压恒频控制性能，减小了微网系统控制的复杂度，缩短了系统运行趋于稳定所耗时间。
(3) 搭建了含并联三相逆变器的微电网系统并进行了实验仿真和对比验证，系统的稳定性和电能质量得到了进一步提高，结果表明，本文所提出的控制策略具有一定的可行性及有效性。
原标题：闫俊丽，等：基于动态虚拟阻抗的低压微电网下垂控制策略
