并网逆变器的鲁棒下垂控制技术

2018年2月

机械工程与自动化

MECHANICAL ENGINEERING &. AUTOMATION

No. 1Feb.

文章编号：1672-6413(2018)01-0200-03

并网逆变器的鲁棒下垂控制技术

郝美丽

(山西潞安环保能源开发股份有限公司，山西长治046000)

摘要：针对传统下垂控制策略中电压幅值和频率精度较低以及功率不能合理分配的问题，在传统下垂控制的 基础之上提出了鲁棒下垂控制策略。基于鲁棒下垂控制的并网逆变器能够对电压、频率进行自动调节，提高 系统的稳定性，保证无功功率的合理分配。在MATLAB/Simulink软件平台上搭建了两台逆变器并联运行的 模型并进行验证。仿真结果表明：当线路阻抗不相同、逆变器容量不同时，逆变器输出有功/无功功率也能 够实现合理的分配。

关键词：并网逆变器；鲁棒下垂控制；功率分配 中图分类号：TM464

文献标识码：A

〇引言

传统下垂控制策略通过模拟传统同步发电机的下 垂特性，对逆变器输出的有功、无功功率以及输出电 压、频率之间的关系进行独立的解耦控制，然后据此调 节微电网系统的电压和频率，并且能够实现各逆变器 合理分配负载上的功率，保证微电网系统电压、频率稳 定。但是目前的传统下垂策略由于受线路阻抗、输出 电压降落等因素的影响，在功率分配方面存在局限性， 实际应用中，均流效果并不理想[1_2]。

本文首先分析了传统下垂控制策略的机理，以及 无法实现功率合理分配的原因，在此基础上提出鲁棒 控制策略，给出了鲁棒下垂控制器的原理以及参数设 计过程，最后在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型 进行验证。

1

传统下垂控制策略

^0 = Vrl —R〇l H = Vr2 ~ R〇2 h • O)

当负载增加时，电压队会出现下降，称之为负载 效应。在此将对图1中两台逆变器并联运行进行分 析。

每台逆变器注入公共母线的有功功率R、无功功 率Q^ = l，2)分别为：

D _E,y〇c〇s^-y^

Qi = — ^^sindi • (5)

其中:V。为公共节点电压d。的有效值。

S1=P1+jQ1v〇zo°S2=P2+j〇2R〇iE,Z S,EU图1为两台逆变器并联运行的简化图，假设两台

逆变器的输出阻抗为阻性，分别是和，输出电 流分别为A。线路阻抗可以忽略，逆变器的输出阻 抗在逆变器到交流母线的阻抗中占主导地位。两台逆 变器的参考电压&、心分别为：

t;ri =

a

图1输出阻抗为阻性的两台逆变器并联运行

/2\"^i sin (〇>!/：+^i) .

E2sin(co2t

-\\-(1)(2)

v

rZ=^/2 d2) .

其中：私、£：2分别为逆变器1和逆变器2输出电压有 效值;分别为逆变器1和逆变器2输出电压角 频率、馬分别为逆变器1和逆变器2的输出电压和 公共节点处电压相位差（功角）。逆变器1和逆变器2 的视在功率S〖、S纟分别为S纟=^1和S纟=私12 (^、12分别为逆变器1和逆变器2输出电流^、f2的 有效值），他们有相同的负载电压^。：

收稿日期：2017-06-06;修订日期：2017-12-06

作者简介：郝美丽（1977-)，女，山西长治人，助理工程师，本科。

为了使逆变器共同承担负载，传统的下垂控制器

如图2所示，这里的是额定值。从式（5)可知无功 功率Q和功角A成比例。下垂控制参数&和叫通 常在给定有功功率和无功功率CT的基础上根据 设定的电压降落比率和频率上升比率

来分别确定。频率％是从参考电压％经过

对相位角的积分而来的。对于传统的下垂控制器，有：

E^E^-n.P, . (6)co^co\" +miQi . (7)

其中：瓦、分别为逆变器的实际输出电压和额定输 出电压。

2018年第1期郝美丽：并网逆变器的鲁棒下垂控制技术

• 201 •

为了使逆变器按比例分配设定的功率，下垂控制

器的参数应该和他们的额定功率成反比。应该 满足下式：

^Si =n2S2 . (8)miSi =m2S2 . (9)

EiIE* —

— rtiHi,Pi功Vo

Vr

率

it+ Si4 Qi计算i图2

传统下垂控制器结构

很容易推出A、％也满足下式：

(10)

然而，在实际情况下，考虑到线路阻抗不同，这样 的条件是很难满足的。

2

鲁棒下垂控制原理及其控制器设计

2. 1 鲁棒下垂控制原理

事实上，式（6)可以改写成：

AEi=Ei—E* =—niPi . (11)

其中A瓦为电压降。

电压瓦可以通过A瓦的积分来表示：

E,AEidt(12)

为了使设计的功率没有误差地送入大电网，这里

的d瓦在微电网中最终要设置为0。然而，由于在孤 岛运行模式下有功功率巧是由负载决定的并且 不可能为〇,这将导致该方式不能应用于孤岛运行模 式，这就是孤岛运行模式下的控制方式和连接大电网 运行模式下不相同的主要原因。当运行模式改变时， 控制方式也需要随之改变。如果在运行模式改变时， 控制方式不需要改变那将是一个巨大的优势[3]。

另外，负荷增加时负载电压％会下降，根据式（6) 的下垂控制策略电压也会下降。参数A越小，电压下 降得越少。然而参数A需要足够大来满足反应的速 度，为了确保电压稳定在一个确定的范围之内，负载电 压下垂一

V。需要通过某种方式反馈回来。根据下 垂理论的基本规律可以给d瓦添加一个放大器K,，该 方式如图3所示。

电

压合成

图3

鲁棒下垂控制器结构

该控制方式可以减少或消除计算误差、噪声和干 扰。对图3进行分析，该控制方式可以维持功率按比 例精确分配，同时还可以加强系统的鲁棒性，抑制参数 漂移、元件不匹配和干扰等问题。

在稳定的系统中，积分环节的输入应该为〇,因此：

n.P^KSE^ -V〇) . (13)

式(13)右边在所有并联运行的逆变器选取相同的

参数的情况下，可以很容易相等。因此：

niPi = C .

(14)

其中：C为常数。

这可以保证有功功率的精确分配，并且不需要相 同的d瓦。同理，无功功率也可采用同样的策略实现 精确分配。

2. 2 鲁棒下垂控制器参数设置

下垂控制环节中，本文在传统下垂控制的基础上 增加了功率给定，逆变器接入大电网运行是可以根据 给定值向大电网输出有功、无功功率的，从本质上来讲 本文采用的是改进的下垂控制策略，其数学表达式为:

f=fn+rn{Pn — P) . (15)U=U〇-nQ . (16)

其中：/为逆变器输出电压的频率；/n为大电网电压 频率(通常为50 Hz) 为P — 0；下垂系数;72为Q — L7 下垂系数;P和Q分别为逆变器输出有功功率和无功 功率的实际测量值;尺为逆变器在额定频率下输出的 有功功率;L/。为逆变器输出无功功率为零情况下的输 出电压的幅值。有功下垂系数m、无功下垂系数72可 由下式求得：

_

/

_

/min

P(17)丄 max —P丄 n

_ ~Uq

L^min

(18)

Qmax

其中：Pmax为逆变器频率下降时允许输出的最大有功 功率;Qmax为逆变器在电压幅值下降时允许输出的最 大无功功率;t/min为逆变器输出无功功率最大时相应 的最小电压幅值；/^为逆变器输出有功功率最大时 相应的最小频率。

另外，根据电力系统的相关规定，电压频率波动不 超过±1%，电压幅值波动不超过±5%。这两个条件 在具体的参数计算中需要考虑[4]。

理论上要求补偿系数反>1[5]，但是考虑到补偿 系数K过大导致系统响应慢，本文中取& = 5。

3

仿真验证

在MATLAB/Simulink中搭建了两台逆变器并 联运行的模型进行仿真验证，逆变器1和逆变器2的容 量分别为1〇 kVA和20 kVA;线路阻抗分别为(0. 03 + jlXl(T3) n 和（〇• 01+j2Xl(T3) n，负载有功功率 15 kW，无功功率7. 5 kVar，仿真结果如图4、图5所示。

11 4

—h.：1ts华% 2

\"T

2 1

功碑0. 02

0. 04

t/s

0. 06

0. 08

1. 00

图4

逆变器1输出有功功率、无功功率兑波形

从图4和图5中可以看出：逆变器1输出的有功

功率为5 kW，无功功率为2.5 kVar;逆变器2输出的 有功功率为10 kW，无功功率为5 kVar。表明有功功 率和无功功率能够按照其容量实现合理分配。

4 总结

针对传统下垂控制策略的局限性，本文提出了鲁

• 202 •机械工程与自动化2018年第1期

棒下垂控制策略，对鲁棒下垂控制策略的原理、参数设 计进行了详细的分析介绍，并在MATLAB/Simulink 软件上进行了仿真实验，验证了鲁棒下垂控制的明显 优势。仿真结果也表明当逆变器容量不相同、线路阻 抗不相同时，有功/无功功率也能够实现合理的分配， 弥补了传统下垂控制的缺陷。

\\

有功功率

避4

无i力功】

参考文献：

[1] 谢玲玲，时斌，华国玉，等.基于改进下垂控制的分布式

电源并联运行技术[J].电网技术，2013,37(4) :992-998.[2] 张纯江，王晓寰，薛海芬，等.微网中三相逆变器类功率下 垂控制和并联系统小信号建模与分析[J].电工技术学

报，2012,27(1):32-39.[3] 米阳，夏洪亮，符杨，等.基于鲁棒下垂控制策略的微网平

滑切换[J].电网技术，2016,40(8) :2309-2315.

^ 2

0. 02

图5

0.04

t/s0. 06 0. 08 1. 00

逆变器2输出有功功率P2、无功功率〇2波形

[4] Zhong Q,Hornik T. Robust droop control with improved voltage quality [ G ]//Control of Power Inverters in

Renewable Energy and Smart Grid Integration. [ s. 1.]：

John Wiley &• Sons Ltd,2012 ： 335-346.

[5] Zhong Q C. Robust droop controller for accurate proportional

load sharing among inverters operated in parallel [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，60 (4)：1281-1290.

Robust Droop Control Technique of Grid-Connected Inverter

HAO Mei-li

(Shanxi Lu’an Environmental Energy Development Co.，Ltd.，Changzhi 046000，China)

Abstract ： In order to solve the series of problems on traditional droop control strategy such as low accuracy of voltage amplitude and

frequency, inability of reasonably distribution of power, this paper proposed a robust control strategy based on the traditional

method. The robust-droop-controlled grid-connected inverter is able to automatically adjust voltage and frequency, so that it may improve the stability of system and ensure the reactive power distribute reasonably. The paper established two grid-connected inverter model via MATLAB/Simulink software platform. The results of which show that even under the different conditions of variable impedance and capacity, the inverter is able to implement the distribution of active/reactive power.Key words： parallel operation of inverters； robust droop control； power distribution

(上接第199页）

示设置界面、故障报警界面。各界面之间切换方便、快 捷。初始界面显示本设备的名称和型号；操作界面包 括手动操作和自动操作，主要有设备的各控制按钮及 其相关工作显示以及实际工作时清洗时间、喷淋时间、 烘干时间的显示；显示设置界面主要用于清洗时间、喷 淋时间、烘干时间参数设置以及其实际运行时间显示； 故障报警界面有各工作泵过载、各清洗槽液位过低等 信息，当出现故障时，触摸屏转入报警界面，显示故障 信息，以利于故障处理。

3

结束语

洗、强风吹到烘干的全过程，大大提高了设备的自动化

程度；另增加人机界面，可方便修改工艺参数，且显示 直观，操作简易，并有故障提示功能，为设备调整及维 护提供便利。机器清洗效果好，生产效率高，除人工上 下料外，实现了自动化，大大减轻了工人的劳动强度， 满足批量化生产要求，通过修改控制参数或更换清洗 液，可用于清洗如液压元件、油泵油嘴、轴承零件、汽车 零部件等。

参考文献：[1] 戚长政.自动机与生产线[M].北京:科学出版社，2004.[2] 殷忠玲，孙荣军.基于PLC工件自动清洗装置的设计[J].

自动化与仪器仪表，2016(7) :235-237.[3] 喻永康，奚敏赞.汽车减震器金属零件的自动超声清洗机

研制[J].机械与电子，2016,34(9) :38-40.

[4] 王文红.超声波清洗生产线及其PLC控制[J].新技术新

工艺，2004(4) :12-13.

与其他清洗方式相比，超声波清洗具有清洁度高

且一致好等优点，对具有不规则表面、夹缝、细孔、沟槽 之类的零件特别有效。该超声波工业清洗机采用双链 传动吊篮形式，传动平稳，定位可靠，电气控制由可编 程控制器自动控制，完成零件从浸洗、粗洗、精洗、冲

Design of Automatic Ultrasonic Cleaning Machine Based on PLC

WANG Wen-hong

(Electromechanical Engineering Department, Shazhou Professional Institute of Technology, Zhangjiagang 215600, China)

Abstract： In order to meet the demand of high quality and efficiency for components cleaning in modern machinery industry, this

paper developed a multi-slot suspended ultrasonic wave cleaner. The cleaner adopts chain transmission method to automatically hang the baskets filled with components up to the cleaning transmission chain, so that performs the processes such as hot dip, ultrasonic coarse washing, ultrasonic fine cleaning, spray washing and strong blowing, respectively. Then it hangs the basket from the cleaning chain to drying chain automatically and completes drying and discharging. The control system consists of a controller that is functional, reliable and programmable. Analyzing PLC control principle and the design method of the soft/hardware of which, the practical result shows that this device operates with high washing cleanliness and efficiency. The device realizes automation and greatly reduces labour strength, which satisfies the batch production demands of the components in machinery and automobile industry.Key words： PLC； ultrasonic cleaning machine； touch screen； design