学术简报｜不平衡负载条件下三相四线制并联逆变器的下垂控制
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南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室的研究人员陈杰、赵冰等，在2018年第20期《电工技术学报》上撰文指出，当微电网孤岛运行时，不平衡负载的接入不仅会造成逆变器输出电压畸变，也会影响多逆变器并联运行的功率均分。
首先分析不平衡负载造成三相逆变器输出电压畸变的根本原因。在此基础上，结合分裂电容三相四线制拓扑和三维空间矢量脉宽调制（3D-SVPWM），提出一种零轴控制策略，实现输出电压零序分量的抑制和分裂电容的均压控制；同时，采用准谐振控制实现对输出电压负序分量的抑制。
针对基于下垂控制的多逆变器并联运行情况，详细分析不平衡负载对输出功率均分的影响和基本关系，提出一种改进分序虚拟阻抗下垂控制方法，基于二次广义积分构造虚拟阻抗来减小各序分量下输出阻抗的差异，有效解决了不平衡负载造成的输出负序功率和零序电流无法均分的问题。仿真和实验结果验证了所提出方案的有效性。
基于可再生能源的分布式发电具有资源存储丰富、环境污染少、能源利用率高、安装地点灵活、便于即发即用等优势，已成为传统电网的有力补充和有效支撑，是今后电力系统的一个重要发展方向。为了提高分布式发电系统的可靠性、扩展性和冗余性，逆变器并联是一个行之有效的技术途径。其中，基于下垂控制的逆变器并联系统构建方便、灵活，逆变器单元间无信号互连线，可显著提高系统的供电可靠性。
目前，针对下垂控制的研究主要集中于系统建模与参数设计、稳定性分析、功率均分和有功/无功解耦控制等。然而，在实际应用中，不可避免会存在三相不平衡负载和非线性负载等非理想条件的运行工况，常规的控制方法难以保证系统的供电质量和并联单元的功率协调分配。因此，本文针对非理想负载条件下逆变器并联的下垂控制和功率均分策略展开研究。
目前，有多种方法可实现逆变器带三相不平衡负载运行。文献[5]利用三个单相逆变器组合构成三相输出，每相独立控制，但此方法开关器件数量较多，不利于可靠性的提高。文献[6]通过引入△-Y 变压器实现了隔离的四线制输出，简单可靠，但变压器体积、重量大。
文献[7]采用三相四桥臂拓扑，中线接入第四桥臂，可将三相电路解耦成单相电路进行控制，但其控制复杂且容易产生较大的共模电流干扰。文献[8]采用分裂电容三相四线制结构，利用分裂电容中点构造出中线，此拓扑结构和控制简单。本文将基于此拓扑，通过对控制的优化来解决不平衡负载供电和并联环流抑制问题。
为了解决不平衡负载接入时并联逆变器单元间的输出功率难以有效均分的问题，文献[9,10]在并联系统中引入有源滤波器补偿公共点的不平衡或谐波电流，以实现各逆变单元的功率均分，但该方案需要增加额外的电力电子装置。
文献[11]利用解耦的三相输出功率构建了三相独立的有功-幅值下垂控制环路，并共用无功-相位下垂，从而得到三相电压幅值与相位基准，电压、电流补偿环路单独控制，保证了三相输出电压的平衡，实现了精确的功率均分，但整体控制复杂、下垂环路较多。
文献[12]提出利用负序功率引入负序无功-电导下垂环路，与正序下垂电压环的输出合成电流参考值，从而实现对不平衡负载的并联供电，但文献中下垂系数的选取缺少准则，新的环路可能对整体的稳定性造成影响。
文献[13]将负序电压反馈比例与负序无功功率设计成正比形式，通过负序无功功率来调节各逆变器的负序电流分配，以实现不平衡负载功率的均分，但其反馈控制量为输出电压，从而导致负序阻抗特性受逆变器输出阻抗特性的影响，同时也未考虑零序电流的均分。
文献[14]在利用正序分量构造下垂环路的基础上，增加了自适应负序虚拟阻抗模块，通过采样负序电流实时调节阻抗的大小，使得系统对不平衡负载产生的负序分量抑制能力增强。然而文献也并没有考虑零序电流带来的影响。
本文在现有研究基础上，重点针对不平衡负载条件下并联逆变器的下垂控制和功率均分策略开展研究，主要工作如下：
（1）分析了输出电压不平衡的本质，指出负载不平衡时产生的2倍基波频率负序电压分量和零序电压分量是造成输出电压不平衡的根本原因。通过引入谐振控制器，可实现对负序电压分量的抑制。
（2）通过分析发现，分裂电容中点电压偏移和输出电压零序分量产生的原因本质上是相同的。因此，提出了一种零轴控制策略，同时实现对输出电压零序分量的抑制和分裂电容的均压控制。
（3）分析了不平衡负载下逆变器输出正、负序及零序电流与输出功率之间的关系，提出了一种改进分序虚拟阻抗下垂控制策略，保证了正序功率、负序功率和零序电流的均分。
图6 基于分序虚拟阻抗的下垂控制框图
为了使并联逆变器系统具备不平衡负载下的供电能力，本文选择分裂电容三相四线制逆变器为主电路拓扑。得到如下结论：
1）通过对输出电压不平衡原理的详细分析，结合准谐振控制的方法，可有效抑制不平衡负载带来的2倍基波频率负序分量。
2）基于3D-SVPWM方法提出的零轴环路控制策略，可实现零序分量的抑制和分裂电容的均压控制，避免了通过外加电路拓扑来实现母线中点电位的平衡。
3）针对不平衡负载对输出功率的影响提出的改进分序虚拟阻抗下垂控制策略，保证了多逆变器并联时正、负序功率和零序电流的均分。