下垂逆变器

下垂控制

在电力系统中，下垂控制技术如同一道独特的光芒，照亮了分布式逆变器并联领域的高效运作。它巧妙地模拟了同步发电机的自然特性，实现了无需互连信号的自主控制，通过各逆变器的输出协同工作，实现有功调频与无功调压，展现了卓越的冗余性、经济性和可靠性。其控制流程犹如一场精密的交响乐，包含测量、坐标转换、功率计算、智能下垂调控、电压电流双闭环以及SPWM驱动的各个环节。

在电压电流双闭环控制中，精密的跟踪性能至关重要。PI调节器的参数调整需反复试验，确保系统稳定。内环采用1阶惯性设计，带宽设为fs/5，电流环P参数为50，I参数为100，而电压环P值为0.5，I值为10。电压环负责监控并调节电流增量，结合电容电流，精准地为电感电流设定目标值。电流环则依据此目标值控制电感电流，通过电压增量和压降，生成SPWM信号的dq轴分量，进一步转化为三相静止坐标系并标准化。

经过Simulink的仿真验证，令人惊叹的性能得以展现。在额定值附近，有功和无功功率保持稳定。当在0.5秒后加入负载，电流和功率相应增加，系统的响应迅速且准确。电压和电流波形平滑，谐波抑制效果显著。在负载增加的同时，无功功率提升，但电压幅值却有所减小。在0到0.5秒期间，由于恒定的有功功率，下垂控制确保了稳定的50Hz频率输出。而随着0.5秒后有功功率的增加，频率相应地进行微调，展现了下垂控制的动态平衡能力。

下垂控制，就像电力系统中的无形指挥家，通过精准调控，保证了电力质量，提升了系统的灵活性和效率，为现代电力系统提供了强大而可靠的解决方案。

下垂控制的原理是什么?

下垂控制的原理在于模仿传统发电机的频率下降特性曲线，作为微源的控制方式。这种控制方法通过P/f下垂控制和Q/V下垂控制分别对微源输出的有功功率和无功功率进行控制，实现无须机组间通信协调的即插即用和对等控制，确保孤岛环境下微电网内电力平衡和频率统一，展现出简单可靠的特点。

在电机学中，发电机的功角特性曲线揭示了有功功率和无功功率与电压和功角之间的关系。通过控制电压U和功角，可以调整有功功率P和无功功率Q。反之，通过调整P和Q，同样能控制U和功角。

微电网中的常规下垂控制通过模拟传统发电机的特性，实现微电源的并联运行。各逆变单元检测自身输出功率，并根据下垂特性得到输出电压频率和幅值的指令值，各自调整输出电压幅值和频率，以合理分配系统有功和无功功率。

逆变器输出电压频率和幅值的下垂特性为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为实际输出的有功功率和无功功率，P0、Q0为逆变器额定有功和无功功率。

在系统并联逆变器的输出端等效阻抗为大电感时，可以推导出三相逆变器常规的P-f和Q-U下垂控制框图。然而，不同电压等级的线路阻感比不同，在电压较低的线路中，阻感比较高，常规下垂控制可能不再适用。因此，提出了一种改进型功率耦合下垂控制策略，以考虑线路阻抗影响，实现对有功功率和无功功率的耦合调节。

逆变电源输出的有功功率P和无功功率Q通过耦合关系影响电压和频率。通过数学推导，得出考虑阻感比的通用下垂控制表达式，以适应低压微电网控制需求。对比常规下垂控制表达式，当线路阻感比r=0时，即为常规控制。

改进后的控制框图充分考虑了不同电压等级下线路阻抗的影响，实现了对有功功率和无功功率的更精确控制，从而确保微电网内电力平衡和频率统一。

你了解常见的几种保护电路？（过流保护、过压保护、过热保护、空载保护、短路保护）

在各类电子产品设计中，为防止电源电路不稳定因素影响其效果，通常会配置保护电路。常见的保护电路包括过流保护、过压保护、过热保护、空载保护、短路保护等，本文将详细介绍几种常见的保护电路。

1、电机过热保护电路

电机在连续运转时可能会因过热或温控器失灵而导致事故，此时采用PTC热敏电阻过热保护电路可有效预防此类事故。PTC热敏电阻器会在电机过热时电阻值急剧增加，电路中的继电器因此失电，电机停止运转，实现保护功能。PTC热敏电阻的选型应根据电机的绝缘等级，选择居里温度低于电机极限温度40℃左右的电阻器。

2、逆变电源保护电路

逆变器在进行电流转换时，若电流超出限定范围，会对电路和关键器件造成损害，因此保护电路在逆变电源中至关重要。逆变电源中的保护电路主要包括防反接保护电路、电池欠压保护电路和锂电池充电保护电路。

（1）防反接保护电路

防反接保护电路可防止电池接反导致的灾难性后果，常见的防反接保护电路有三种：反并肖特基二极管、继电器和MOS管组成的电路，各有优缺点。

（2）电池欠压保护电路

为防止电池过度放电损坏，需设定电池电压到一定电压时，逆变器停止工作。电池欠压保护电路设计需谨慎，以避免在启动冲击性负载时保护过于灵敏，导致逆变器难以起动。

（3）锂电池充电保护电路

锂电池的过充、过放电会影响其寿命，设计时需注意锂电池的充电电压和电流。选用合适的充电芯片并考虑过充、过放电、短路保护等问题。同时，设计完成后应进行充分测试。

3、开关电源过流保护电路

开关电源中的过流保护方式通常有电流下垂型、恒流型和恒功率型。过电流设定值一般为额定电流的110％～130％，大多数为自动恢复型。实现限流的电路方法可直接在基极驱动电路或变压器初级驱动电路中实现，以确保电路在高、低端过流保护点一致性。

（1）晶体管保护与限流比较器保护电路

在基极驱动电路和变压器初级直接驱动电路中实现限流保护，晶体管保护电路简单，但反应速度相对较慢。相比之下，采用限流比较器保护电路反应速度更快、更准确。

（2）无功率损耗限流电路

利用电流互感器作为检测元件的限流电路可提高电源效率，减少Rsc的存在对效率的负面影响。电流互感器绕制时需确保磁芯不饱和，选择匝数比与电流比相匹配的互感器。

（3）555集成时基电路作为限流电路

555集成时基电路可实现限流保护功能，通过与PWM变换器电路配合使用，当发生过载现象时，电路工作在“打嗝”状态下，即启振与停振交替进行，确保电源不会过热，实现周期保护。

4、几种过流保护方式的比较

过流保护方式的比较总结了不同电路的优缺点，帮助设计者在选择时做出更明智的决策。

下垂控制（1）：基本原理

下垂控制涉及两种主要运行模式：一种是电流源模式（grid-following工作模式），逆变器根据输出端电压的频率和幅值产生相应的有功功率和无功功率，关系为p-f，Q-v工作模式。另一种是电压源模式（grid-forming工作模式），逆变器根据电网的频率和逆变器的端电压产生输出功率，关系为f-p，v-Q工作模式。频率-watt控制常用于商业变压器，而droop-control则适用于微电网孤岛运行状态。

两种模式的使用条件和优点也不同。在高压电网中，下垂控制依赖于线路电抗和电阻的关系，通常适用于率和频率、无功和电压呈现出下垂关系的高压网络。在低压电网中，这种关系则相反。

通过推导，可以发现当逆变器向电网输送功率时，其端阻抗、电压相角和功率传输的关系至关重要。在高压网络中，线路电抗远大于电阻，导致功率传输与频率的关系更为显著。而在低压网络中，这种关系则不同。

下垂控制的公式可以简化为f-p，v-Q关系，这是在考虑逆变器的电压角频率和相角差的基础上得到的。当逆变器出口阻抗工作于感性状态时，可以调节逆变器出口阻抗以维持这种下垂控制关系，同时确保PQ和V的解耦控制。

下垂控制与同步发电机的关系主要体现在其一次调频和二次调频的功能上，与同步发电机的调频机制相类似。此外，下垂控制与虚拟同步机的区别在于，虚拟同步机具有虚拟惯性，这在某些系统中可能具有优势。

综上所述，下垂控制在电力系统中扮演着关键角色，通过调整功率输出以维持电网稳定性，其在不同网络条件下的应用和推导都体现了其灵活性和适应性。通过下垂控制，系统可以实现高效、稳定的电力分配，特别是在微电网和电力孤岛运行中。

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