孤岛型微网并联逆变器下垂控制策略研究

朱作滨，黄绍平，李振兴

（湖南工程学院电气信息学院，湘潭411100）

摘要：针对孤岛型微电网逆变器并联运行系统中由于系统交流母线至各逆变器线路之间的距离不同导致其输出总阻抗不同，使得系统的输出功率无法达到均分，产生功率环流等问题，在传统的P-V/Q-f下垂控制策略的基础上提出一种基于动态虚拟阻抗自适应的下垂控制策略。将虚拟阻抗设计成一个跟随系统电压和电流变化的动态虚拟阻抗。在动态虚拟阻抗回路的作用下，不断调整虚拟阻抗的值，以弥补系统电压降落，同时抑制功率环流。最后，通过建立MATLAB仿真模型对该方法进行仿真测试，通过仿真验证了该方法的可行性。关键词：下垂控制；动态虚拟阻抗；电压补偿；功率环流中图分类号：TM615

文献标志码：A

文章编号：1003-30（2020）02-0119-06

DOI：10.19635/j.cnki.csu-epsa.000180

ResearchonDroopControlStrategyofParallelInvertersforIsolatedMicro-grid

ZHUZuobin，HUANGShaoping，LIZhenxing

（SchoolofElectronicsandInformationEngineering，HunanInstituteofEngineering，Xiangtan411100，China）

Abstract:Inanisolatedmicro-gridsystemwiththeoperationofparallelinverters，duetodifferentdistancesbetweentheACbusandinverterlines，thetotaloutputimpedancesofthesystemaredifferent，whichmakestheoutputpowerdroopcontrolstrategybasedondynamicvirtualimpedanceadaptationisproposedinthispaper.Thevirtualimpedanceisdesignedasadynamicvirtualimpedancethatfollowsthevoltageandcurrentchangesofthesystem.Inthedynamicitsfeasibilityisverifiedthroughsimulations.

fromthesystemunequalandgeneratesapowerloop.OnthebasisofthetraditionalP-V/Q-fdroopcontrolstrategy，avirtualimpedanceloop，thevalueofvirtualimpedanceisadjustedcontinuouslytocompensateforthesystemvoltageKeywords:droopcontrol；dynamicvirtualimpedance；voltagecompensation；powerloop

dropwhilerestrainingthepowerloop.Finally，aMATALBsimulationmodelisbuilttotesttheproposedmethod，and

近年来，随着光伏、风电等分布式电源技术的发展，微电网受到了社会和学术界的广泛关注。微负载、储能装置和控制装置组成的单控制发电当微电网连接到电网时，电压和频率由电网系统决定，轻易达到功率均分[2]。在孤岛型微电网中，由于微电网DG单元的分散性，系统交流母线连接到每个DG的传输线路阻抗因距离的不同而不一致，这使得微功率逆变器偏离先前设定的下垂曲线，会产生功率分布不均及造成电压降落，将会影响微网系统运行的稳定性。

近年来，国内外一些学者针对孤岛型微电网存在的以上问题进行了大量研究和探索。文献[3]提出了一种基于虚拟复阻抗的电压控制策略，使逆变器输出阻抗在工频条件下呈纯阻性，进而改善多逆

收稿日期：2018-08-26；修回日期：2019-01-29

变器并联均流控制效果，但引入虚拟复阻抗会引起电压降落；文献[4]提出了一种基于虚拟电容的无功出端的并联电容特性，线路阻抗差异自适应补偿线路献[5]提出了一种基于负虚拟阻抗的下垂控制，用负虚拟阻抗抵消一部分线路阻抗，提高了电压质量，从仿真波形可以看出交流母线电压在一定程度上得到改善，但也未实现功率均分；文献[6]只对引入虚拟阻抗导致电压降落，叙述了电压补偿的方法减少电压降落，从仿真波形可知，功率均分问题仍未解决；文献[7]提出一种基于坐标旋转虚拟阻抗的孤岛微电网控制策略，采用坐标旋转虚拟阻抗闭环改善微电网的阻抗特性，实现了系统的功率分配。

以上文献或是通过引入虚拟阻抗或虚拟电容、采用电压补偿的方法来抵消线路阻抗的不一致，使

电网是由分布式发电DG（distributedgenerations）、均分控制策略，该控制策略根据算法模拟逆变器输系统，可以在电网模式和孤岛运行模式下运行[1]。阻抗压接，减少基频环流，提高系统无功均分能力；文

网络出版时间：2019-03-3011：28

·120·

电力系统及其自动化学报第2期

整个系统呈现感性，采用P-f/Q-V下垂特性来实现有功的均分及系统母线电压的稳定。针对中低压微电网中线路呈阻性的特性，同样会出现上述的问题，本文提出一种基于动态虚拟阻抗的下垂控制策略，将虚拟阻抗设计为动态虚拟阻抗自适应调整功率分配及线路的电压降压。最后通过建立LAB仿真模型，验证了该方法的有效性。

MAT⁃1

传统下垂控制的原理及分析

1.1

下垂控制的基本原理

当孤岛运行时，各DG可以等效为多个逆变器

并联运行，以2台并联逆变器为例，分析下垂控制的基本原理。三相逆变器单相并联简化示意如图1所示。

R

ωL

MNV1∠0

I∠-φ

V2∠-δ

图1

三相逆变器单相并联简化示意

Fig.1

Simplifiedschematicofsingle-phaseparallelthree-phaseinverters

图中，从M点流向N点的有功功率和无功功率可分别表示为

ì

ïP=V1A+XVsinδï

R22[]ïQ=V+Xíï

R212[-RV2cosδ+B]（1）ïA=Rï(V+î

X(V1X-1-VV2cos2cosδδ)B=)式中：

V1、V2为逆变电源输出电压；X为逆变电源之间的输出电抗；

R为逆变电源之间的等效阻抗；δ为逆变电源之间的夹角。

对于中低电压输电线路，线路参数的电感接近或远小于电阻，式（1）可以改写为

ìïïP=V1(V1-V2)í

Rï（2）ïîQ=V1VR2δ由式（2）可知，有功功率的传输主要取决于逆

变单元之间输出电压的差值，无功功率的传输主要取决于功角δ。根据频率和相角之间的关系，有

f=2πω=ddδt（3）由式（2）和式（3）可知，可以通过调节逆变器的无功功率输出来调节输出频率，通过逆变器的有功功率输出来调节输出电压。基于微功耗逆变器的下垂控制特性，可得下垂控制表达式为

ìí

f=fn-mîV=Vn-n(Q-Qn)（式中：f和V分别为逆变器的输出电压的频率及幅

(P-P4）n)值；P和Q分别为输出的有功功率和无功功率；f和Vn分别为额定频率及额定电压；

P和Qn额定有功功率及无功功率；m、n分别为无功及有nn分别为功下垂系数。

根据式（4），下垂控制原理框图如图2所示。

2π

Qn

+m

Q-++

ωfVn

1sθdref

Pn

-n

++V∠θ

V

VqrefP

Vn

图2

下垂控制原理框图

Fig.2Blockdiagramofdroopcontrolprinciple

1.2单台逆变器下垂控制结构整体框图

通过分布式电源输出的电压和电流，计算出有

功功率和无功功率，利用图2下垂特性生成电压外环的参考值Vdref、Vqref，最后通过电压和电流双环

形成SPWM控制逆变器输出。其整体控制框图如

图3所示。图中：VL为滤波电感，R

为L的感生电阻，C为滤波电容，

dc为直流电压，V器经LC滤波后的电压、电流，

i0、I0分别为逆变流，

ZL为经L滤波后的电line为线路阻抗。V0

LiLR

Va

I0

Vb

Vdc

Vc

CV0iL

V0

I0

abc/dq

abc/dq

功率计算

P、Q

SVPWM

电压电Vdref电压

f

流双环

Vqref

合成

倒下垂控制V

图3

单台逆变器下垂控制结构框图

Fig.3

Blockdiagramofdroopcontrolforsingleinverter

第32卷朱作滨等：孤岛型微网并联逆变器下垂控制策略研究

·121·

2基于动态虚拟阻抗下垂控制策略

微电网系统主要分布在配电网的中低压侧，由于中低压线路阻抗呈现阻性，而且传输距离不一致，将会导致系统电压降落及出现功率环流。针对这一问题，本文提出基于动态虚拟阻抗的自适应下

垂控制策略。

2.1基于电压降落的动态虚拟阻抗的设计并联逆变器控制采用基于虚拟阻抗的电压电流双环控制，如图4所示，设计基于电压降落的动

态虚拟阻抗。图中：v0ref为下垂控制器输出电压，

Gi

(s)为电流环传递函数，Gu

(s)为电压环传递函数，u电容，

0(s)为逆变器输出电压，L、C为滤波电感和滤波kPWM为脉宽调制比，i0(s)为逆变器的输出电流，

Zvir(s)为虚拟阻抗。Zvir(s)

i0

v0ref+--

Gu(s)

+-

Gi(s)

kuPWM+

0

-

sL1+-

sC1图4

逆变器等效控制框图

Fig.4

Equivalentcontrolblockdiagramofinverter

根据图4，引入虚拟阻抗控制环后可得ìï

u0(s)=A1v0ref(s)-(Z0(s)+A2)i0(s)ïkGu(s)ïAí

1=

LCs2ï（5）

ïA=Z+kCs21+kGu

(s)+1

2vir(s)AïZî

0(s)=Ls+kLCs2+kCs+kG（us）+1ìï

k=Gi(s)kïPWMí

Gi(s)=kï

pc（6）ïî

Gu(s)=kpu+ksiu整理式（5）可得

ìíu0(s)=G(s)v0ref-A3i0(s)=G(s)v0ref-Zinv(s)i0(s)î

A3=G(s)Zvir(s)+Z0(s)（7）

ìïG(s)=skpckPWMkpu+kiukpckPWMïBïíB1+B2ïB1=LCs3+kpckPWMCs

2（8）ï2

=skpckïLsPWMk2î

Z(s)=+skpu+kpckPWMkiu+spckBPWM+B2Zvir(s)ivs1+B2在逆变器控制电路中增加虚拟阻抗回路，则虚拟阻抗的电压降由电阻分量与电感元件在电路阻

抗中的比例变化引起，电压降表示为

ìïíΔV=î3

[Z(sivs)(s)+ZZline(s)vir(s)+Z0(]i0(s)=B3i0(s)ïB=Gs)+Z（9）line动态虚拟阻抗设置为

ìïïéVrefíZvir(s)=êïëi-E-Cù

ú1（10）ïîC=(Z0(s)+0(s)ûG(s)Zline)经过以上分析可知，动态虚拟阻抗是一个关于系统电压E和电流i0(s)的函数。动态虚拟阻抗不断自我调整来适应系统电压和电流的变化。在微

网孤岛模式下，微电源逆变器给定的初始参考电压为V0ref将给定参考电压抬高ΔV（由虚拟阻抗通过式（9）来完成），ΔV用来补偿系统的压降，从而使系统交流母线电压跟随初始给定电压V0ref，而不至于降低，维持系统稳定。则新的电压给定参考值变为

V引入动态虚拟阻抗后的等效系统如图ref=V0ref+ΔV

5所示。

（11）

EDG

DGZline

Es

N

I

等效

ME过程vir

Zvir

Es

N

Zline

M

Svir=Pvir+jQvir

S=P+jQ

图5引入动态虚拟阻抗后的等效系统

Fig.5

Equivalentsystemwithdynamicvirtualimpedance

如图5所示，DG与母线间的线路阻抗ZjX呈阻性，line=R+

电机，

通过动态虚拟阻抗将原系统等效，移除ZDG引入1点。如果个虚拟发

|vir连接到NZvir|感性，现P≫如果对虚拟发电机使用vir、|ZLQvir|，

则虚拟发电机与母线间的阻抗将呈现P-V/Q-f下垂控制，实

的解耦控制，由于N点注入的P和Q等

于DG输出的有功功率和无功功率，因此调节虚拟发电机的输出电压可以实现DG输出有功功率的解

耦控制，则有

P=PEvir-I2

Zvir=virX+EsZvir(EvirR2-Es)（12）由于线路呈阻性，故R≫+(XZvir，将+XX忽略不计，)2得P=EsZRvir(E2+virZ2-Es)（13）vir·122·

电力系统及其自动化学报

第2期

将式（9）和式（10）代入式（13），进一步化简得

P=V0refZΔV（14）

由式（14vir）可知，线路参数和逆变器参数的差异都会对有功功率的分配产生影响。2.2

单台逆变器动态虚拟阻抗自适应下垂控制整体原理

在图3的基础上加入新设计的动态虚拟阻抗自适应调整电压降落，则单台逆变器其整体控制结构如图6所示。

VL

dc

I0V0

负荷

ΔE

+-V交流母线

SVPWMiref

L

动态虚拟阻抗环

Z(ΔE,II0Vv(s)=f0)

0

电流环Q

iLref

++++m

功率Vsin(V·wt)

f+-Q电压环

0refnn计算P、Q

V0

+

+nVref

+-PPn

图6

动态虚拟阻抗下逆变器整体控制结构

Fig.6

Overallcontrolstructureofinverterwithdynamicvirtualimpedance

3仿真分析

为了验证所提控制策略的有效性和优越性，基

于图6搭建了2台并联逆变器的动态虚拟阻抗自适应下垂控制MATLAB仿真模型，如图7所示。系统

的仿真参数设置如表1所示。

UU负荷2

II1ABCPP1QQ1abcff1U示波器集合

断路器

amU1m1

ABCADGbB1

cC

abABCabABC

U负荷1

U线路1

cc

II2PP2QQ2ff2UamU2m2

bc

ABDGC

ab线路2

c2

图7动态虚拟阻抗的下垂控制仿真模型Fig.7Simulationmodelofdroopcontrolbasedon

dynamicvirtualimpedance

表1仿真参数

Tab.1

Simulationparameters

参数

数值直流侧参考电压V电压环参考电压Vdc/V800滤波电感L/μHref/V311滤波电容C/μF负荷1/（V·A）负荷2/（V·A）3线路1（Z3××1015

3-3+300line1）/Ω线路2（Zline2）/Ω下垂系数m12+j0.0526+j0.02610-3+300下垂系数n

1×10-52×10-4

0.6s时，仿真设置在切除负荷0.32。仿真波形如图s时，闭合开关，8~加入负荷图15所示。

2；在

4

WP1

k3/P21P2

0

0.2

0.4

t/s

0.60.81.0

图8未加动态虚拟阻抗DG1DGFig.8

ActivepoweroutputfromDG2输出有功功率

1DGdynamicvirtualimpedance

2without

500

rav400/3001Q200100

00.20.4t/s

0.60.81.0（a）DG1

500

rav400/3002Q200100

00.20.4t/s

0.60.81.0（b）DG2

图9

未加动态虚拟阻抗下DG1DGFig.9ReactivepoweroutputfromDG2输出无功功率

1DGvirtualimpedance

2without

dynamic400V/U200

00.20.4t/s

0.60.81.0图10未加动态虚拟阻抗交流母线电压有效值Fig.10

EffectivevoltageofACbuswithoutdynamicvirtualimpedance

第32卷

朱作滨等：孤岛型微网并联逆变器下垂控制策略研究

·123·

10

A/1I0-10

00.20.4t/s

0.60.81.0（a）DG1

5

A/2I0-500.20.4t/s

0.60.81.0（b）DG2

图11

未加动态虚拟阻抗下DG1/DG2输出电流

Fig.11OutputcurrentfromDG1/DG2withoutdynamic

virtualimpedance

4

Wk3/1P2100.20.4t/s

0.60.81.0（a）DG1

4

Wk3/2P2100.20.4t/s

0.60.81.0（b）DG2

图12

动态虚拟阻抗下DG1/DG2输出有功功率Fig.12ActivepoweroutputfromDG1/DG2with

dynamicvirtualimpedance

500

rav400/3001Q200100

00.20.4t/s

0.60.81.0（a）DG1

500

rav400/3002Q200100

00.20.4t/s

0.60.81.0（b）DG2

图13

动态虚拟阻抗下DG1/DG2输出无功功率Fig.13ReactivepoweroutputfromDG1/DG2with

dynamicvirtualimpedance

400V/U200

00.20.4t/s

0.60.81.0图14动态虚拟阻抗下交流母线电压有效值Fig.14

EffectivevoltageofACbuswithdynamicvirtualimpedance

10A/1I0-10

00.20.4t/s

0.60.81.0（a）DG1输出电流

10A/2I0-10

00.20.40.60.81.0（b）DG2图15动态虚拟阻抗下输出电流

t/s

DG1/DG2输出电流Fig.15OutputcurrentfromDG1/DG2withdynamic

virtualimpedance

DG由图8可知，传统的P-V/Q-f下垂控制，DG1、

2图11有功功率未实现均分，可知，DG必然会出现功率环流；由

1不等，由于线路呈阻性，、DG2输出的三相电流在线路上存在有功功率损（取其中一相）耗，由P-V下垂特性可知，有功控制系统的电压，由于有功的损耗必然导致系统交流母线电压的不稳定；由图10可知，系统交流母线电压已经低于给定参考值311V，由Q-f的下垂特性可知，由于无功几乎不存在损耗，所以系统的频率仍然能保持稳定。相比加入动态虚拟阻抗的下垂控制特，由图9、

图12~图15可知，DG1率已达到均分，且能很好地跟随系统负荷的变化，、DG2输出有功功率和无功功DG不存在功率损耗。系统能维持电压稳定。同时，

1功率环流。

和DG2的输出电流一致，在系统之间不会形成4

结论

（1）加入动态虚拟阻抗后，P-V/Q-f下垂特性控制下的DG1（2）加入动态虚拟阻抗后，、DG2能够实现功率均分，系统自适应调整交

抑制功率环流。

流母线电压等于给定参考值，消除了由于线路阻抗不一致而导致的电压压降。

·124·

电力系统及其自动化学报第2期

参考文献：

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徐海珍，张兴，刘芳，等（XuHaizhen，ZhangXing，Liu

————————作者简介：

Fang，etal）.基于虚拟电容的微网逆变器无功均分控制策略（Reactivepowersharingcontrolstrategyformicro-gridinverterbasedonvirtualcapacitor）[J].电力系统自动化（AutomationofElectricPowerSystems），2016，40

朱作滨（1988—），男，硕士研究生，研究方向为电能变换技术。Email：913672953@qq.com

黄绍平（19—），男，通信作者，硕士，教授，研究方向为微电网控制与保护。Email：874945079@qq.com

李振兴（1993—），男，硕士研究生，研究方向为风电系统控制技术。Email：5979434@qq.com

（19）：59-65.[5]

朱永兴（ZhuYongxing）.虚拟负阻抗在微网下垂控制中

关于外文字符的字体

l.正体外文字母的常用场合

（1）计量单位和SI词头符号。

（2）数学式中的运算符号和缩写号，如:微分号d，有限增量符号Δ，变分号δ，极限lim，行列式det，最大值max等。

（3）其值不变的数学常数符号：圆周率π，自然对数的底e，虚数单位（i电工中常用j）。宏观总截面∑tot，转置矩阵AT等。2.斜体外文字母的常用场合

（4）量符号中为区别其他量而加的具有特定含义的非量符号和非变动性数字符号角标，如势能EP，

（5）仪器、元件、样品等的型号、代号。

（1）用字母代表的数、一般函数及统计学符号等，如：x，y，△ABC，（fx），概率P，均数x。

（2）量符号和量符号中代表量或变动性数字或坐标符号的角标字母，如:体积V，雷诺数Re，能谱角截

面砌σΩ,E，能量Ei(i=1,2,3)，力的x方向分量Fx。3.化学元素符号均为正体，且首字母大写。

（3）矢量和张量符号用黑斜体。

摘编于《中国高等学校自然科学学报编排规范》（修订版）