逆变器下垂控制并网

VSG与下垂控制对比研究

传统PQ控制方式在同步电网中通过锁相环同步逆变器输出电压与电网，调整输出电流以输出预定的有功功率和无功功率。然而，其主要问题在于缺乏电压保持和频率支撑能力，因此不适合孤岛运行模式。且由于缺乏转动惯量，PQ控制方式的逆变器在电网范围应用受限。

VSG控制方式解决了PQ控制的局限性，提供电压保持、频率支撑及功率分配能力，使得逆变器在孤岛模式下也能运行，且适用于更广泛的电网环境。VSG控制策略通过直流链路中的能量储存实现虚拟惯量，有效增强系统的稳定性和响应速度。

下垂控制则是一种基于电网阻抗调整的控制方法，分为传统的P-V下垂控制和基于虚拟f-V框架的新下垂控制。新下垂控制P-V控制具有更优的功率分配能力及稳定性，适用于任意线路阻抗比的逆变器控制。下垂控制的第二层和第三层分别负责频率和电压的保持，以及并网模式下的潮流控制和优化运行。

在无功功率控制方面，VSG控制和下垂控制采用相同的Q-V下垂控制方式。VSG控制中，暂态电动势由空载电动势、无功功率调节器输出值、无功下垂系数及输出的平均无功功率组成。为方便控制，VSG输出的无功功率通常需滤除二次或三次谐波。VSG控制的摇摆方程考虑了虚拟惯量和阻尼因子，通过虚拟转子角频率与PCC点电压传感器安装处的角频率的关系来实现频率稳定控制。

通过将公式（1）和（2）中的相关变量消去，可以得到简化后的控制方程式，这有助于实现更直观的同步频率控制。在下垂控制中，有功功率控制与虚拟惯量和阻尼因子无关，当二者被设为零时，下垂控制可以视为VSG控制的特例。

在频率暂态响应分析中，通过比较在单机系统中VSG控制和下垂控制两种模型下的频率阶跃响应，可以得出在惯量较大的系统中，瞬时故障后的二次调频可有效减少最大频率偏移，使系统稳定。而惯量较小的系统在负荷变化时容易引起频率震荡，导致不必要的跳闸和甩荷动作。

研究结果表明，在负载变化过程中，VSG控制和下垂控制在稳态增益方面具有相同的特性，这意味着在稳态情况下，两种控制方式在功率分配、频率稳定性和系统响应速度方面具有相似表现。然而，VSG控制通过虚拟惯量和阻尼因子的引入，提供了更好的动态性能和稳定性，使其在孤岛运行和广泛电网应用中具有优势。

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。

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。

逆变器环流消除方法

环流只与电压矢量差和等效输出阻抗相关。要实现理想运行，消除环流达到各并联模块输出功率平衡的目的，就要从上述两个影响环流的因素着手。因此抑制环流的方法有如下两种：一是加大并机阻抗；二是降低电压矢量差。

1、加大并机阻抗

加大并机阻抗可以通过设置限流电抗器实现，同时静态开关上的固定电压降可以起到同样的作用，而且这些量并不是很大，因此可以在对输出电压影响不的前提下提高并联的可靠性。在有变压器隔离的并联系统中，可以利用变压器的漏抗作为限流电抗，也可以单独设置限流电抗器。

但是一方面要使并机阻抗足够大，使得并联运行时的环流小，另一方面出于小逆变器负载效应的考虑，则希望该阻抗越小越好，这样能够得到更好的输出电压波形。综合两方面考虑，限流电感的大小选取要折中。

虽然加大并机阻抗并不能彻底消除环流（实际上也没有方法真正能够彻底除环流），但这种方法简单可靠，并且能够达到相关的指标要求，因此仍然是环流抑制中最重要的技术。

2、降低电压矢量差

降低电压矢量差同样也可以降低环流，这就必须通过控制手段实现。造成电矢量差的原因是各逆变器输出电压的幅值、频率和相位的差异，而相位是频率的函数，因此降低电压矢量差的关键问题就是对逆变器输出电压幅值和频率的精确控制。而从前面提到的并联控制方法来看，逆变器输出电压和频率的控制又统的无功功率和有功功率有关。对环流的性质进行进一步研究分析可知，并机阻抗的性质对环流有决定性的影响，相应的控制策略也由此决定，因此必须确定实际系统的并机阻抗特性。在得到并机阻抗特性之后，再对下垂控制做相应的改进。

以上对环流的讨论都是基于稳态的，很多条件都是不能满足的。比如，输出压是不能排除谐波成分的，各逆变器的输出阻抗不可能完全相等，各开关器件的工作负载、开关特性及死区时间等也不可能完全一致。因此除了前面分析的稳态环流以外，还要考虑到动态环流。动态环流的抑制同样可以通过加大并机电抗和减小电压矢量差来实现。在减少电压矢量差方面，上面所述的各种稳态下垂控制都不能满足要求，必须在特性方程中加入积分和微分的环节。

基于储能变流器的微电网并/离网无缝切换

智能微电网并网与离网无缝切换

智能微电网凭借其灵活性和可靠性，已成为智能配电网的关键环节。其核心功能是实现并网与离网的无缝切换，确保在大电网断电时，关键负荷仍能持续供电。通常通过储能PCS实现微电网在并网与孤岛模式间的平稳转换。

微电网系统常见控制策略包括下垂控制与主从控制。光伏、风电等商用并网逆变器采用常规P/Q控制，不利于直接集成于采用下垂控制的微电网系统。并网运行时，储能变流器以PQ模式运行，控制入网电流；而孤岛运行则转换为VF模式，提供电压和频率基准。

并网运行采用P-Q运行模式，储能换流器在并网模式下，依靠电网提供的稳定电压与频率支撑。分布式电源不需考虑电压与频率调节。并网状态下，采用双闭环控制，外环功率控制，内环电流控制。

独立运行采用恒压/恒频控制（V-F控制），在电网故障情况下，微电网系统可独立运行，保证关键负荷供电。独立运行时，储能变流器作为电源，通过锁相技术调节逆变后的正弦电压频率。

孤岛运行时，储能变流器以V/F模式运行，提供稳定电压与频率基准给其他若干从逆变器。电压外环与电流内环共同调节，确保系统平稳运行。

无缝切换关键在于并网与独立运行模式间的协调。电网故障时，储能换流器从PQ控制转换至VF控制，实现快速、平滑的切换。采用平稳同期方法，微电网与分布式电源协同进行同期并网，通过交流电网锁相环输出信号控制储能换流器的调制频率，完成频率同步调节。

并网与独立运行之间的无缝切换，是智能微电网稳定运行的关键。通过有效的控制策略与切换机制，微电网能够实现高效、可靠的运行，为用户提供持续稳定的能源供应。

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。

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