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]的关键是按照输出电压幅值和频率与输出功率之间的下垂特性来调节系统给各逆变器模块所分配的负荷。

在国内关于无互联线并联技术的研究大多集中在同等功率等级的逆变器，这种传统并联技术要求系统实现功率均分。对于非同等功率等级的逆变器无线并联技术而言，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，这是这两年来微电网研究的一个热点。国外相关的结论不多，国内就更少，远未达到完善的地步。

本文在介绍微电网结构和下垂控制原理的基础上。首先通过对输出电压幅值和频率的收敛性分析推导出系统稳定的临界条件。然后，在系统控制器设计中，介绍了虚拟阻抗法和双环调节器。针对整流非线性负载引起的电压畸变问题，本文采用准谐振调节器进行谐波补偿。

最后，为验证以上结论与策略的正确性，本文利用Matlab/Simulink进行了仿真，并搭建了由两台不同容量逆变器组成的实验平台。实验结果表明，通过调整下垂系数和虚拟阻抗可以较好地实现按逆变器容量分配负荷的目标。

图1 微电网结构

结论

本文围绕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展开了讨论。首先，通过对输出电压幅值和频率进行的收敛性分析，推导出系统稳定的临界条件。然后引入虚拟阻抗环和双环调节器构建一个微电网系统的仿真平台对理论分析进行了相关验证，从图7中4组波形的对比可知，单个分布式电源电压幅值收敛的条件为有功下垂系数小于临界值，单个分布式电源电压频率收敛的条件为无功下垂系数小于临界值。

此外针对整流非线性负载引起输出电压畸变问题，本文采用准谐振调节器进行谐波补偿，图8中的2组仿真波形可以说明补偿效果。最后搭建的实验平台也对仿真结果进行了相应的验证。