基于MATLAB的下垂控制策略逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的仿真分析目錄前言 1第1章研究背景和研究現(xiàn)狀 21.1研究背景 21.2研究現(xiàn)狀 2第2章逆變器并聯(lián)控制策略 32.1并聯(lián)逆變器系統(tǒng)簡介 32.2逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的等效模型 42.2.1單臺(tái)逆變器主電路 42.2.2單臺(tái)逆變器的等效模型 42.2.3逆變器并聯(lián)運(yùn)行的等效模型 52.3逆變器并聯(lián)運(yùn)行的原理 52.3.1并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流分析 62.3.2逆變器并聯(lián)的基本原理 6第3章下垂控制策略的研究 83.1無互聯(lián)線控制法 83.2同步發(fā)電機(jī)的隱態(tài)等值電路 83.3下垂控制策略簡介 103.3.1經(jīng)典下垂控制法 103.3.2逆變器變功率下垂控制 133.3.3下垂特性控制分析 14第4章下垂控制策略逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的仿真 164.1MATLAB/Simulink仿真環(huán)境簡介 164.2控制方案 164.3仿真結(jié)果 16第5章總結(jié) 21參考文獻(xiàn) 24前言這幾年風(fēng)能等新能源的快速發(fā)展，對(duì)推動(dòng)逆變器發(fā)展起到了很大作用。而新能源的大規(guī)模發(fā)展，也就對(duì)逆變器技術(shù)有了更高的要求，比如高的安全可靠性，高的分模塊化，高的功率等一系列要求，這樣同時(shí)也促進(jìn)了逆變器并聯(lián)技術(shù)的繁榮發(fā)展?，F(xiàn)階段，在社會(huì)生產(chǎn)中對(duì)電力負(fù)荷的需求量越來越大，為了滿足這種大量的電力需求，這就需要有大容量的發(fā)電機(jī)組為社會(huì)生產(chǎn)的需求來提供電力支持。光提供大容量的電力支持還是不夠的，要保證電力系統(tǒng)是安全與可靠的。逆變器并聯(lián)技術(shù)能提高電源容量，還可以增加安全可靠性。并且逆變器的并聯(lián)還可以更方便地進(jìn)行擴(kuò)展電力系統(tǒng)。其中，逆變器并聯(lián)時(shí)產(chǎn)生環(huán)流的問題是現(xiàn)在我們要解決的重點(diǎn)問題。因?yàn)槟孀兤鞯沫h(huán)流的存在會(huì)使并聯(lián)的逆變器之間無法穩(wěn)定工作和運(yùn)行，假如環(huán)流比較大的話還會(huì)破壞并聯(lián)系統(tǒng)的元器件，所以解決環(huán)流的問題是實(shí)現(xiàn)多臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的必要條件。因此我們?nèi)绾谓鉀Q逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中的環(huán)流問題,并且確保在并聯(lián)系統(tǒng)中各逆變器的輸出電壓是相同的是我們研究逆變器并聯(lián)技術(shù)的主要的難題。為了實(shí)現(xiàn)并聯(lián)逆變器系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，必須實(shí)現(xiàn)均流的工作效果，來實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)。我們國內(nèi)的逆變器技術(shù)和國外相比起步就晚了很多。國內(nèi)關(guān)于逆變器并聯(lián)控制技術(shù)在最近的二十年才剛剛開始研究，所以國內(nèi)的實(shí)驗(yàn)和理論研究相比較與外國都要落后不少。現(xiàn)在在國內(nèi)企業(yè)和高校是目前研究逆變器并聯(lián)技術(shù)的主要力量。例如在高校中西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等已經(jīng)在逆變器并聯(lián)技術(shù)方面有了一些理論研究和實(shí)驗(yàn)。臺(tái)達(dá)、華為等企業(yè)也進(jìn)入了相應(yīng)的研究領(lǐng)域。但是這些企業(yè)所研發(fā)的產(chǎn)品和國外相比都有一些缺陷，如果在工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行使用，沒有辦法進(jìn)行量產(chǎn)。抑制環(huán)流的問題是逆變器技術(shù)中最需要解決的難題。近幾年部分學(xué)者提出了把限流電感串在逆變器的輸出端。因?yàn)楦髋_(tái)逆變器的內(nèi)阻抗不一樣，因此而產(chǎn)生環(huán)流，如果我們串入限流電感則能夠減小因?yàn)檫@種情況產(chǎn)生的環(huán)流。但是在功率方面，會(huì)增加無功功率在限流電感上的損耗；而且串聯(lián)限流電感使線路的元器件使用增多，會(huì)增加生產(chǎn)的成本。上述方法在實(shí)際的生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)的可能性非常低。所以如何抑制環(huán)流仍然是國內(nèi)在逆變器并聯(lián)技術(shù)的研究重點(diǎn)。第1章研究背景和研究現(xiàn)狀1.1研究背景最近幾年新能源行業(yè)在快速的發(fā)展，并且也得到了國家政策的支持，我們比較常見的有風(fēng)能、太陽能、潮汐能、地?zé)崮艿鹊纫幌盗械男履茉串a(chǎn)業(yè)。而這些新能源行業(yè)的在發(fā)展的同時(shí)也對(duì)逆變器技術(shù)的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用，也對(duì)逆變技術(shù)提出了更加高的要求，比如要高功率、高安全性等要求。這樣同時(shí)也促進(jìn)了逆變器并聯(lián)技術(shù)的繁榮發(fā)展。我們利用逆變器并聯(lián)技術(shù)就是控制各臺(tái)逆變器的輸出電壓的相位與其幅值都相同，這樣才可能實(shí)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)中均流的效果，使系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。而下垂控制方法就是一種無互聯(lián)線的逆變器并聯(lián)控制技術(shù)。1.2研究現(xiàn)狀世界上第一次提出逆變器并聯(lián)技術(shù)的概念是在1960年左右。直到20世紀(jì)80年代，即發(fā)展了接近二十年左右，科學(xué)家們研究出了真正能夠投入實(shí)際的生產(chǎn)工作中的并聯(lián)逆變器。此時(shí)這些研究還僅僅局限在一些發(fā)達(dá)國家中。隨著逆變器并聯(lián)技術(shù)在發(fā)展研究了六十年左右，無互聯(lián)線的逆變器并聯(lián)控制技術(shù)慢慢的開始顯露頭角。在這種背景下，有一些發(fā)達(dá)國家有能力可以生產(chǎn)出能夠在工業(yè)和制造業(yè)中使用的無互聯(lián)線的并聯(lián)逆變器。無互聯(lián)線的并聯(lián)逆變器開始被國外的廠家和公司陸陸續(xù)續(xù)的研究和生產(chǎn)出來，并且逆變器的并聯(lián)臺(tái)數(shù)都會(huì)在五臺(tái)之上。這些外國企業(yè)比如德國的西門子、日本的東芝、發(fā)過的梅蘭日蘭和日本的三菱都是可以實(shí)現(xiàn)上述生產(chǎn)的?，F(xiàn)在逆變器并聯(lián)技術(shù)的研究分為有互聯(lián)線的控制方法和無互聯(lián)線的控制方法。有互聯(lián)線的控制方法有缺陷，因?yàn)閺?fù)雜的互聯(lián)系會(huì)很大程度上提高逆變器并聯(lián)系統(tǒng)維護(hù)的難度。并且正是因?yàn)橛谢ヂ?lián)線所以在并聯(lián)的系統(tǒng)中只有一個(gè)核心的控制器，這也就導(dǎo)致了有互聯(lián)線的方法系統(tǒng)的安全可靠性相比起來比較低。下垂控制方法是一種典型的無互聯(lián)線的控制方法，因?yàn)闆]有互聯(lián)線的連接所以能很好的解決上面有互聯(lián)線所面對(duì)的問題。下垂控制利用逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的輸出有功和無功功率，根據(jù)相應(yīng)的下垂曲線來確定輸出電壓相位和幅值。這樣就可以進(jìn)一步的控制逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓。下垂控制的方法，沒有依賴于各臺(tái)逆變器之間的互聯(lián)信號(hào)，系統(tǒng)的安全可靠性相對(duì)比較高，很好的實(shí)現(xiàn)了逆變器的并聯(lián)效果。并且它相比其他方法較好的解決了電流的均流問題，有比較好的工作特性，所以這種方法在逆變器并聯(lián)技術(shù)中應(yīng)用非常廣泛。在并聯(lián)系統(tǒng)中，如果輸出電壓的相位滯后就說明有功功率發(fā)出的比較少，甚至有功功率可能會(huì)被吸收一部分；反之，如果輸出電壓的相位超前就說明有功功率發(fā)出的比較多。而并聯(lián)系統(tǒng)中輸出電壓的幅值則與發(fā)出和吸收系統(tǒng)的無功功率密切相關(guān)。如果輸出電壓的幅值比較小說明系統(tǒng)無功功率發(fā)出的比較少，甚至無功功率可能會(huì)被吸收一部分；反之，如果輸出電壓的幅值比較大就說明無功功率發(fā)出的比較多。利用它這樣的特性，可以在不同逆變模塊之間控制輸出電壓頻率，這就相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了對(duì)于模塊輸出電壓相位的改變，從而進(jìn)一步改變了不同模塊之間的有功功率情況并使其逐漸趨于平衡。同理，可以控制不同逆變模塊之間輸出電壓幅值，從而實(shí)現(xiàn)模塊間無功功率的平衡。第2章逆變器并聯(lián)控制策略2.1并聯(lián)逆變器系統(tǒng)簡介在電源變換技術(shù)中有一個(gè)很重要的研究方向就是擴(kuò)大電源的容量，而利用多臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的控制技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)電源容量的擴(kuò)大。這幾年在研究領(lǐng)域發(fā)展了很多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一種是獨(dú)立直流源拓?fù)?，另一種是共用直流電源拓?fù)洹?．獨(dú)立直流源拓?fù)洫?dú)立直流源拓?fù)淙鐖D2-1所示，但是獨(dú)立直流源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有著很多的缺點(diǎn)：(1)當(dāng)在并聯(lián)運(yùn)行的狀態(tài)時(shí)的逆變器電源，要求逆變器具有相同的輸出電壓特性，這是逆變器為了保證輸出相同和逆變電源之間環(huán)流的抑制。假如在每個(gè)獨(dú)立直流電壓源的電壓不一樣的情況下，我們希望得到一樣的輸出電壓特性，這就要求每臺(tái)逆變器的驅(qū)動(dòng)電路要輸出不同的SPWM波。但是這樣的話，各臺(tái)并聯(lián)逆變器之間將會(huì)形成某些高次諧波電流，進(jìn)而影響到逆變器的并聯(lián)系統(tǒng)；(2)每個(gè)直流源的響應(yīng)不同時(shí)，每臺(tái)逆變器即使處于穩(wěn)態(tài)中也會(huì)形成環(huán)流。(3)逆變器輸出電壓的幅值和相位的完全相同，在逆變器的并聯(lián)系統(tǒng)中是不可能嚴(yán)格的出現(xiàn)的，會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。圖2-1獨(dú)立直流源逆變器并聯(lián)系統(tǒng)框圖2．共用直流電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2-2共直流源逆變器并聯(lián)系統(tǒng)框圖如圖2-2，共用直流電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然沒有上述問題。但在橋臂的裝置在導(dǎo)通失敗是，直流電源會(huì)干涉其他模塊動(dòng)作，有可能使環(huán)流造成的影響依然存在。2.2逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的等效模型2.2.1單臺(tái)逆變器主電路逆變器的主電路拓?fù)淙鐖D2-3所示。該拓?fù)涫侨珮蚴侥孀?。圖2-3全橋式逆變器的主電路拓?fù)?.2.2單臺(tái)逆變器的等效模型逆變器空載輸出電壓是U0，i0是逆變器輸出電流。X和R分別是等效之后的電抗和電阻。UX、UR分別X和R兩端的電壓，UL是負(fù)載ZL兩端的電壓，ZL為負(fù)載。圖2-4單臺(tái)逆變器的等效模型由基爾霍夫電壓定律可得：U0=UR+根據(jù)上式可以得到如圖2-5的矢量圖：圖2-5逆變器輸出電壓的矢量圖2.2.3逆變器并聯(lián)運(yùn)行的等效模型根據(jù)圖2-6，X1、R1是逆變器1的等效輸出感抗和電阻；X2、R2是逆變器2的等效輸出感抗和電阻；Z0是負(fù)載。U0∠00是兩逆變器并聯(lián)供給負(fù)載電壓，即節(jié)點(diǎn)處的電壓。U01∠φ1是逆變器1的空載輸出電壓；U02∠φ2是逆變器2的空載輸出電壓；I01是逆變器1的輸出電流；I02是逆變器2的輸出電流；I0是負(fù)載電流。等效模型能得到以下方程組：U01∠φ1當(dāng)R1=R2=R，X1=X2=X時(shí)，求解上述方程可得：I01=U01∠R1<<X1，R2<<X2，所以上式又能夠簡化成：I01=U01∠從（2-4）式我們能夠得到，逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流和負(fù)載電流共同構(gòu)成輸出電流。圖2-6兩逆變器并聯(lián)運(yùn)行的等效模型2.3逆變器并聯(lián)運(yùn)行的原理這里先對(duì)逆變器的并聯(lián)模塊之間的環(huán)流來進(jìn)行分析，隨后再介紹逆變器并聯(lián)運(yùn)行的工作原理。2.3.1并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流分析上文，對(duì)兩個(gè)逆變器的并聯(lián)等效模型進(jìn)行了詳細(xì)的分析。由上面的分析可知：各逆變器之間存在著電壓的差異，因此也就存在著環(huán)流。逆變器環(huán)流為：IH=U01∠由式（2-5）可知，輸出電壓的相位和幅值對(duì)于逆變器環(huán)流有著很大的影響?？梢园聪旅娴膸追N情況，對(duì)環(huán)流進(jìn)行分析:1.當(dāng)輸出電壓幅值不同但相位一致，即：φ2=φ1IH=(U01實(shí)際上φ很小，所以sinφ≈0,cosIH=?jU01?當(dāng)輸出電壓幅值不同，相位相同時(shí)，主要用于無功環(huán)流，電壓幅值小的決定著環(huán)流的方向。2.當(dāng)輸出電壓的幅值相同但是相位不同時(shí)，即φ1IH=U(由于實(shí)際上φ很小，所以sinφ1IH=U式(2-9)說明：當(dāng)輸出電壓的相位不同，幅值一樣時(shí)，主要用于有功環(huán)流；3.當(dāng)輸出電壓的幅值不同，相位也不一樣時(shí)：即φ1≠2.3.2逆變器并聯(lián)的基本原理由于上面的分析，我們能夠得到的環(huán)流結(jié)論說明：由于無功環(huán)流分量主要是幅值的改變而引起的，有功環(huán)流分量主要是相位的改變而引起的，對(duì)于有功和無功這兩種環(huán)流來說，無功環(huán)流減小是因?yàn)榉挡畹臏p??；有功環(huán)流減小是因?yàn)橄辔徊畹臏p小。構(gòu)成并聯(lián)運(yùn)行的交流電源系統(tǒng)的逆變器電源模塊中，并聯(lián)運(yùn)行各模塊的輸出的交流電運(yùn)行更加難。因?yàn)椋焊鱾€(gè)并聯(lián)模塊之間輸出電壓相位和幅值存在差異引起逆變器電源模塊各部分之間環(huán)流形成，且環(huán)流形成會(huì)帶來如毀壞電源裝置，提高并聯(lián)系統(tǒng)的損耗，加重元器件的負(fù)擔(dān)等一系列非常嚴(yán)重的傷害，還有可能導(dǎo)致中斷電源和擊潰并聯(lián)系統(tǒng)等等更嚴(yán)重的后果。讓輸出電壓相位與幅值保持一樣是抑制環(huán)流的方法。確保電壓相位與幅值在各電源模塊間相同，是使整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。相位差是因?yàn)轭l率差引起，確保各電源模塊頻率一樣是實(shí)現(xiàn)電壓相位相同的方法。因此，實(shí)際系統(tǒng)中必須確保逆變器輸出電壓幅值、頻率和電壓相位相同才可以，以兩臺(tái)逆變器并聯(lián)為例，逆變器之間應(yīng)盡量滿足以下條件：U01=U02,f1從理論上講，當(dāng)兩臺(tái)逆變器的輸出電壓的相位以及幅值是一致的，它們的電壓相位差是由頻率差來決定的，也為零。這時(shí)，逆變器工作運(yùn)行在最佳的狀態(tài)下。第3章下垂控制策略的研究3.1無互聯(lián)線控制法在最近幾年的研究中，大家都在試圖減少并聯(lián)系統(tǒng)之間的連線。在這樣的背景下，無互聯(lián)線的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。它是根據(jù)電力系統(tǒng)的下垂特性，來實(shí)現(xiàn)的。即：通過調(diào)節(jié)電壓幅值和頻率來實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的調(diào)節(jié)。無互聯(lián)線并聯(lián)有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1.模塊化程度更高。因?yàn)槟K之間沒有并行的線路連接，所以每個(gè)模塊之間是完全獨(dú)立的，是一個(gè)完全冗余的系統(tǒng)，其模塊化程度較高。2.可靠性更高。單臺(tái)逆變器故障不會(huì)影響其他系統(tǒng)正常運(yùn)行，因?yàn)椴⒙?lián)系統(tǒng)中各個(gè)逆變器之間沒有進(jìn)行關(guān)聯(lián)。3.易擴(kuò)容和維護(hù)。模塊是獨(dú)立的，所以系統(tǒng)容量的擴(kuò)展非常方便，也很方便維修一個(gè)模塊。4.應(yīng)用前景更廣泛。相互之間的連接，同時(shí)也相互限制了連接的模塊。該系統(tǒng)將帶來的噪音，也會(huì)影響供電質(zhì)量。所有這些缺點(diǎn)都是無互聯(lián)連接線所不具有，所以無互聯(lián)線應(yīng)用前景更有前途。但是無互聯(lián)線系統(tǒng)也有其劣勢(shì)。主要是以下兩點(diǎn):1.控制策略復(fù)雜。用目前的控制方法來實(shí)現(xiàn)這一計(jì)劃更加復(fù)雜。在無互聯(lián)線的并聯(lián)模塊中，沒有信號(hào)線的連接，也沒有進(jìn)行連接交流總線。全部的均流控制都會(huì)相對(duì)的較難實(shí)現(xiàn)，正是因?yàn)槟K之間沒有進(jìn)行連接信號(hào)線。輸出電壓的瞬態(tài)電壓在逆變器輸出的交流功率中，有著相位方面的變化，同時(shí)也大小和正反兩個(gè)方面的變化。因此，如果要保證均流控制的效果更好，確保一致的幅值和保證其相位的一致是非常必要的。2.成本較高。目前，無互聯(lián)線的連接是基于數(shù)字控制的，模擬控制是相對(duì)較難實(shí)現(xiàn)的，而有線連接可以通過模擬控制實(shí)現(xiàn)。復(fù)雜的控制策略，需要投入的成本勢(shì)必會(huì)增加。此外，控制的核心芯片要求也相對(duì)較高。價(jià)格低廉的單片機(jī)可能無法滿足基本要求，需要使用價(jià)格相對(duì)較高的DSP來實(shí)現(xiàn)。3.2同步發(fā)電機(jī)的隱態(tài)等值電路首先，分析一下同步發(fā)電機(jī)的等值電路。功率方程見下面的公式。交軸的同步電抗xq，與定子直軸的同步電抗xd相等，這是對(duì)于隱極式的同步發(fā)電機(jī)來說的。由電機(jī)學(xué)的基本知識(shí)可知。當(dāng)正常同步電機(jī)正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，其各個(gè)量之間有一定的關(guān)系。由此，等效電路如圖3-1所示。圖3-1隱極式同步發(fā)電機(jī)的等效電路圖上圖中，U為端電壓，r是定子繞組電阻，I是定子電流，Eq為空載電勢(shì)，由等值電路可以直接寫出它們之間的關(guān)系式：Eq=U+(r+jx根據(jù)上式，可以畫出相量圖，如圖3-2所示。Eq方向?yàn)榻惠S（q軸）方向，而直軸（d軸）方向就是交軸滯后90°的方向。功率角是U和Eq的相位差δ表示的，功率因數(shù)角是I和U的相位差取d、q軸的正方向分別與實(shí)、虛軸的正方向一致，則可以得到發(fā)電機(jī)端電壓和輸出電流表示的發(fā)電機(jī)輸出功率為：P+jQ=UI?=U式中，I*是I的共軛，由式（3-2）有P=UIcosφ（3Q=UIsinφ（3若用發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)和端電壓來表示發(fā)電機(jī)的輸出功率，則由相量圖3-2可以推導(dǎo)出隱極式發(fā)電機(jī)的功率方程：P=UIcos?φ=EqUQ=UIsin?φ=EqU推導(dǎo)過程中，取r=0，這是由于定子繞組電阻相對(duì)于感抗很小，可以忽略。圖3-2相量圖3.3下垂控制策略簡介近年來，電力逆變器并聯(lián)技術(shù)在許多的制造業(yè)領(lǐng)域中迅速發(fā)展了起來，國內(nèi)外許多專家學(xué)者提出了不同的控制策略，控制策略可分為接觸線并行模式。這種接觸線并行的理論模型相對(duì)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，因而在早期開發(fā)的變頻技術(shù)中已經(jīng)得到普遍認(rèn)可。這種模式，缺點(diǎn)也明顯。例如：對(duì)于并聯(lián)裝置來講，位置受限；電磁干擾嚴(yán)重；冗余性差等。上述的缺陷影響很大。不適合應(yīng)用在分布式發(fā)電。由于這些聯(lián)絡(luò)線控制技術(shù)的影響嚴(yán)重。無法克服其固有缺陷。從而，無互聯(lián)線的并行模式由此而產(chǎn)生。對(duì)于無互聯(lián)線并聯(lián)控制，這一項(xiàng)技術(shù)因此得到了較好發(fā)展。當(dāng)前階段來講，解決的方法是開發(fā)基于輸出電壓相位和幅值的無線下垂控制理論。通過對(duì)相位和幅值的調(diào)整。這樣就可以實(shí)現(xiàn)電流平衡的有功功率P和無功功率Q的均衡。從而實(shí)現(xiàn)了功率的均分和電流的平衡。下面對(duì)下垂控制典型的控制策略進(jìn)行了介紹。前文，對(duì)于逆變器的并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。基于上述分析，需要新的控制方法，去改善逆變器的并聯(lián)控制效果。有人提出了無線控制技術(shù)。即：對(duì)逆變器可以并行運(yùn)行于無互聯(lián)線的控制技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)是：我們將逆變器并聯(lián)的整個(gè)系統(tǒng)視為研究對(duì)象這是電壓頻率下垂方法的實(shí)質(zhì)。并聯(lián)運(yùn)行于系統(tǒng)中的單臺(tái)逆變器，在檢測自己的輸出功率時(shí)，檢測自己的輸出電壓的幅值和頻率就是一種具體的檢測方式。然后可以對(duì)它們進(jìn)行稍微的調(diào)整，從而進(jìn)行調(diào)節(jié)無功和有功功率。這樣能實(shí)現(xiàn)功率的合理分配。電壓頻率下垂控制是這樣的：降低頻率，可以減小有功輸出；反之，增加頻率，可以提高有功輸出。減少電壓幅值，可以減少無功；想要提高無功，可以通過提高電壓的幅值來實(shí)現(xiàn)?？偠灾?，這中調(diào)節(jié)是一種動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)。根據(jù)電壓-頻率的下垂特性，不斷的進(jìn)行自我的調(diào)節(jié)。這樣，逆變器并聯(lián)系統(tǒng)就可以運(yùn)行在一種達(dá)到了環(huán)流最小的狀態(tài)下。3.3.1經(jīng)典下垂控制法下面用實(shí)際的例子進(jìn)行具體的分析。這里先讓兩臺(tái)逆變器并聯(lián)。在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，線路電阻很小。線路主要體現(xiàn)為感抗。由此，并聯(lián)的系統(tǒng)能夠進(jìn)行化簡?；喼蟮牡刃щ娐啡鐖D3-3所示。圖3-3兩臺(tái)逆變器并聯(lián)的等效電路圖依圖可知：對(duì)于逆變器1來講。輸出阻抗與連線阻抗，Z1同理，對(duì)逆變器2來講：線路阻抗和輸出阻抗，Z2=r2+jX2=RZ2∠θ2；V1和V2分別是逆變器1和逆變器2的空載輸出電壓；VIn=En∠輸出復(fù)功率表達(dá)式為：S=Pn+jQ逆變器n的輸出的無功功率是Qn；逆變器n的輸出的有功功率是Pn。Pn=1RQn=1RZn逆變電源的輸出感抗是Xn。輸出電壓矢量Vn和V之間的夾角是δn。逆變器連接的阻抗和輸出阻抗是電感性時(shí)，逆變器的無功功率和有功功率的輸出分別是：Pn=VnV逆變器并聯(lián)系統(tǒng)有一個(gè)特點(diǎn)：和負(fù)載阻抗相比，線路阻抗與輸出阻抗是完全可以忽略的。因此，電壓矢量V與Vn之間的差異是很小。近似有sinδn=δn，cosδn=1,。此時(shí)，相角應(yīng)用的是弧度制。則式（3-11）可簡化為：Pn=Vn在實(shí)際的控制中，并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓為負(fù)載電壓。負(fù)載電壓是需要穩(wěn)定的參數(shù)。因此，它能被認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)。令：kpnPn=kpnδ式（3-13）說明：電壓幅值主要影響無功功率，功率角主要影響有功功率。當(dāng)然，他們之間是存在一定的耦合關(guān)系的。不過，利用同步發(fā)電機(jī)的下垂特性，來進(jìn)行控制。可以靈活的控制輸出的無功功率和有功功率。由上面的分析，可以間接的實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的調(diào)節(jié)。通常電壓的幅值可以通過控制逆變器的調(diào)制波，來直接進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。而對(duì)于相位，則是間接的控制頻率來實(shí)現(xiàn)的。由圖3-2的向量圖可知，當(dāng)逆變器的頻率不一致時(shí)，頻率大的逆變器的輸出相位會(huì)超前于頻率小的逆變器，會(huì)使功率角隨之減小。可間接通過對(duì)頻率的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)功角的調(diào)節(jié)。時(shí)間和角頻率ω的乘積等于電源的相位。當(dāng)角頻率隨時(shí)間變換時(shí)，角頻率對(duì)時(shí)間的積分就等于相位。δ=ωtdt圖3-4有功功率-頻率的下垂特性圖中逆變器輸出有功功率和母線頻率分別是P、f。逆變器輸出有功功率和母線額定頻率在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)分別是fN、PN；fmin是逆變器頻率的最小值，Pmax是逆變器輸出有功功率的最大值。由圖3-4能得到：有功-頻率下垂特性的公式。如式（3-15）、（3-16）：f=mp?pN+m=fN?fmin式（3-15）、（3-16）中，m為有功-頻率下垂曲線的斜率。圖3-5無功-電壓下垂特性逆變器無功-電壓下垂特性曲線如圖3-5，輸出無功功率和母線電壓幅值分別是Q、U。輸出無功功率和額定母線電壓幅值在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，分別是QN、UN；在Umin和Umax之間是母線電壓幅值波動(dòng)的范圍。這樣在-Qmax和Qmax之間是無功功率的波動(dòng)范圍。能得到無功-電壓下垂公式如下：U=nQ?QN+n=UN?UminQN式(3-17)、(3-18)中，無功-電壓下垂曲線斜率是n。3.3.2逆變器變功率下垂控制設(shè)S是逆變器的額定容量。SN是逆變器在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出的視在功率；PN是有功功率；Pmax，N是有功功率最大值；QN是無功功率；Qmax，N是無功功率最大值；φN是功率因數(shù)角；逆變器有功-頻率下垂特性如式（3-15）、（3-16）。圖3-6不同容量的有功-頻率下垂特性分析無功功率不變時(shí)根據(jù)圖3-6，能減小斜率mN來減小有功的負(fù)荷波動(dòng)時(shí)帶來的影響。這種方法可減小母線頻率較大的變化。有功-頻率下垂特性當(dāng)有功負(fù)荷沒有發(fā)生變化時(shí)如曲線LPN。逆變器有功-頻率下垂特性在有功負(fù)荷發(fā)生變化后如曲線LPR。這時(shí)mR變成了下垂曲線斜率。上圖能得到mR<mN。因此為了能減小因有功功率不平衡而引起的頻率偏移量，減小有功負(fù)荷波動(dòng)時(shí)的下垂曲線斜率mN電源逆變器的無功功率-電壓下垂特性如式（3-17）、（3-18）。圖3-7不同容量無功-電壓下垂特性分析有功功率不變時(shí)根據(jù)圖3-7，能減小斜率nN來減小無功負(fù)荷波動(dòng)時(shí)帶來的影響。這種方法能減小母線電壓幅值較大的變化。無功-電壓下垂特性在無功負(fù)荷沒有發(fā)生變化時(shí)如曲線LQN。逆變器無功-電壓下垂特性在無功負(fù)荷發(fā)生變化后如曲線LQR。這時(shí)nR成了下垂曲線斜率。上圖能得到：nR<nN。因此為了能減小因無功功率不平衡而引起的電壓偏移量，減小在無功負(fù)荷波動(dòng)時(shí)下垂曲線斜率nN3.3.3下垂特性控制分析下垂特性對(duì)輸出電壓幅值和頻率進(jìn)行控制是電壓頻率下垂法的實(shí)質(zhì)。每個(gè)逆變器有功和無功功率對(duì)系統(tǒng)功率進(jìn)行分配能通過輸出電壓幅值和頻率來微調(diào)。減少逆變器的頻率來降低某個(gè)輸出有功功率大的有功；增加逆變器輸出頻率來提高某個(gè)輸出有功功率小的輸出。能利用減少電壓的幅值來減少逆變器無功功率輸出；反之，提高無功功率能利用提高電壓幅值的辦法。根據(jù)電壓-頻率下垂特性，自我進(jìn)行功率平衡調(diào)整，這過程一直進(jìn)行直到并聯(lián)系統(tǒng)到了最小環(huán)流點(diǎn)。（a）有功功率下垂特性（b）無功功率下垂特性圖3-9不同容量逆變器下垂特性兩個(gè)不同容量并聯(lián)逆變器的下垂特性如圖3-9。能夠看出下垂特性斜率在不同容量逆變器并聯(lián)中是不同的。為了使不同容量逆變器在一個(gè)穩(wěn)定工作點(diǎn)并聯(lián)運(yùn)行，所以通過對(duì)輸出電壓頻率和幅值調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。還看出，如果承擔(dān)的功率小，那么下垂控制斜率較大；反之下垂斜率較小。圖中曲線斜率就是下垂系數(shù)，能任意選取。但是這樣會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指數(shù)下降。所以下垂系數(shù)需要折中選取，這樣可以考慮到控制精度和誤差。下垂控制原理圖如圖3-10所示：圖3-10下垂控制的原理圖第4章下垂控制策略逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的仿真對(duì)電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究時(shí)，對(duì)所述內(nèi)容的一般分析都是利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行模擬，用來檢測和發(fā)現(xiàn)計(jì)算中存在的問題。本文利用MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證。4.1MATLAB/Simulink仿真環(huán)境簡介MATLAB簡稱矩陣實(shí)驗(yàn)室（MAT代表matrix，LAB代表laboratory），這是數(shù)值計(jì)算型的數(shù)學(xué)軟件。在MATLAB中Simulink是一個(gè)很重要的工具箱，Simulink仿真的適應(yīng)范圍是特別廣泛，很仿真都能支持運(yùn)行。4.2控制方案由于前面以已經(jīng)提及，倘若兩臺(tái)并聯(lián)的逆變器能夠穩(wěn)定的工作，就需要它們能夠平衡負(fù)載功率。而且通過適當(dāng)?shù)目刂?，使得系統(tǒng)的環(huán)流能夠盡量變小。并聯(lián)控制方案如圖4-1所示。圖4-1并聯(lián)控制方案通過圖4-1我們能夠得出整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)的工作過程：開始先用測量的模塊去測量逆變器輸出的電流和電壓。電流和電壓經(jīng)過功率計(jì)算就能夠得到有功和無功功率，然后根據(jù)下垂曲線輸出我們所需要的角度和電壓，再根據(jù)角度和電壓合成我們的參考電壓，參考電壓與實(shí)際電壓經(jīng)過一個(gè)PI控制器輸出參考電流，參考電流和實(shí)際電流經(jīng)過一個(gè)比例增益輸出，通過一個(gè)PWM信號(hào)發(fā)生器來控制整個(gè)逆變器。4.3仿真結(jié)果如圖4-2所示，這是單臺(tái)逆變器的仿真圖。圖4-2單臺(tái)逆變器的仿真圖參數(shù)設(shè)置如下：直流電壓是360V；參考正弦波是311sin100π；濾波電感650e-6H；電容是60e-6F；線路電阻0.2Ω；線路電抗1/377H；負(fù)載功率是4.8kw；斷路器的時(shí)間為0.15s；基波頻率是50Hz；圖4-3單臺(tái)逆變的輸出有功和無功功率圖4-4單臺(tái)逆變器的輸出電流根據(jù)前面所述的單臺(tái)逆變器的控制方案，再并聯(lián)一臺(tái)逆變器，本文使用了下垂控制方式實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率均分，以達(dá)到抑制環(huán)流的效果。如圖4-6所示，這是下垂控制的逆變器并聯(lián)仿真圖圖4-6下垂控制的逆變器并聯(lián)仿真圖圖4-7逆變器1并聯(lián)輸出的有功和無功功率圖4-8逆變器2并聯(lián)輸出的有功和無功功率從圖4-7和圖4-8能夠得出逆變器1和逆變器2輸出的有功功率波形基本相同。逆變器1和逆變器2的有功功率的數(shù)值均為2400，并且負(fù)載的有功功率數(shù)值為4800，這樣就驗(yàn)證了兩臺(tái)逆變器平均分配了有功功率；同時(shí)能夠得到兩臺(tái)逆變器輸出的無功功率波形基本相同，數(shù)值均為100，也說明了逆變器1和逆變器2無功功率的平均分配。圖4-9逆變器1并聯(lián)輸出的電壓和電流圖4-10逆變器2并聯(lián)輸出的電壓和電流根據(jù)圖4-9和圖4-10可以看出逆變器1和逆變器2的電壓幅值是一樣的，相位是相同的，頻率也是相同的，輸出電壓的波形基本是一致的。兩臺(tái)逆變器輸出的電流波形也基本相同。逆變器之間的環(huán)流基本為零，說著本控制方法很好的抑制了環(huán)流。

第5章總結(jié)為了有效分配微電網(wǎng)每個(gè)逆變器的輸出功率，下垂控制被廣泛運(yùn)用于交流微電網(wǎng)去實(shí)現(xiàn)多個(gè)逆變器間的功率均分。在近些年的研究工作中，下垂控制在孤島模式的相關(guān)科學(xué)研究已經(jīng)有了深入的分析，但是下垂控制在并網(wǎng)模式下經(jīng)常被忽略。而實(shí)際上并網(wǎng)的模式下，負(fù)載接入和切除會(huì)因逆變器線路阻抗不匹配而引起電網(wǎng)幅值波動(dòng)，這都將嚴(yán)重影響無功功率的均分，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定?，F(xiàn)在逆變器并聯(lián)技術(shù)是逆變器技術(shù)的重要研究方向，逆變器技術(shù)向著體積更小、容量更大的方向去發(fā)展。利用下垂控制的方法，通過對(duì)有功功率和無功功率對(duì)環(huán)流的影響，得到相互關(guān)系，最終可以有效抑制環(huán)流，最終達(dá)到最小環(huán)流。為了驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的可行性，最后通過MATLAB/Simulink對(duì)下垂控制的逆變器并聯(lián)進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果。主要的研究工作總結(jié)如下：1.首先對(duì)單臺(tái)逆變器進(jìn)行了等