学术简报︱交直流配电网逆变器并联控制技术研究现状分析
新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、中国电力科学研究院的研究人员曹文远、韩民晓、谢文强、李蕊，在2019年第20期《电工技术学报》上撰文指出，逆变器是交直流电网互联和可再生能源并网的重要接口。随着直流配电技术的发展和电力系统中可再生能源接入比例的增加，逆变器的并联运行控制成为维持电力系统稳定运行和提高供电质量的关键技术问题。
该文首先提出交直流配电网中逆变器并联运行的典型应用场景，接着考虑配电网中逆变器的空间距离跨度大、网络参数无法忽略的特点，建立多逆变器并联运行模型并推导逆变器间环流的计算公式。对已有较多研究的多逆变器并联运行控制方法进行了归纳和总结，尤其是对下垂控制存在的功率耦合、功率均分和电能质量问题以及相应的研究工作进行了分析和评述，最后指出适用于交直流配电网的逆变器并联运行控制方法及其所要解决的关键问题。
随着可再生能源并网需求的增加和交流配电资源紧张问题的日益严峻，直流配电技术以其有利于清洁能源的接入、减少变换环节、可控性强、电能质量问题少、线路损耗低等优点，成为国内外研究的焦点。
但直流配电网的发展目前面临两方面的挑战：一是从系统角度，研究直流配电网的故障诊断保护和系统运行控制等技术；二是从设备角度，实现直流断路器、故障限流器、大容量DC-DC换流器等关键设备的标准化、产品化和工业化。
上述挑战使得直流配电网在短期内不会取代交流配电网，交、直流配电网扬长避短、优势互补、协调发展是配电网发展的趋势。交直流配电系统通过电压源型换流器（Voltage-Source Converter, VSC）连接，随着交直流配电网协调发展以及交流异步电网互联需求日益增多，逆变器的并联运行不可避免。
此外，高比例可再生能源并网成为未来电力系统的重要特征，可再生能源和储能多通过逆变器接入电力系统，当前依靠同步发电机维持频率和电压稳定的电力系统将变得更依赖逆变器的协调控制以维持系统稳定，考虑可靠性的要求，逆变器应具备在无同步发电机的情况下向系统提供调频和调压的能力。逆变器能否协调控制支撑交流配电网的电压和频率是决定高渗透率可再生能源电力系统能否实现的关键技术。
目前多逆变器并联的控制技术研究多集中在不间断电源（Uninterruptible Power Supply, UPS）和微电网领域，其网络架构相对简单，各逆变器连接于同一母线或电气距离很短，分析多逆变器并联之间的稳定性及环流问题可忽略逆变器之间的网络参数。
交直流配电网中逆变器之间存在一定的空间距离，无法忽略网络参数的影响，其功率均分控制及稳定性问题具有自身的特点，并且对电能质量的要求更高，是配电网运行控制的关键技术问题，值得深入研究。
本文首先给出交直流配电网中逆变器并联运行的应用场景，然后考虑配电网的空间跨度大、网络参数分布不均的特点，建模分析逆变器间环流的产生机理，并总结和评述了多逆变器并联运行的基本控制方法，尤其对下垂控制存在的功率耦合、功率均分、电能质量问题及其相应的控制方案进行了解析。最后指出适用于交直流配电网的逆变器并联运行控制方法以及未来的研究方向。
图1 区域电网互联结构
图2 负荷中心直流供电结构
图3 可再生能源直流外送结构
1 逆变器并联控制技术的对比
逆变器并联控制技术主要包括需要通信的集中控制、主从控制、分散逻辑控制和不需要通信的下垂控制，表1对比了其优缺点。
2 改进下垂控制的总结
传统下垂控制存在三个问题：功率耦合、无功功率分配不均以及频率和电压偏差。用以解决上述问题的改进下垂控制方法总结见表2。
表1 逆变器并联控制技术的优缺点比较
表2 改进下垂控制的总结
3 逆变器并联控制技术的展望
由于交直流配电网空间跨度大且逆变器数量多，相对于需要通信互联线的集中控制、主从控制和分散逻辑控制，不需通信的下垂控制适用性更强，但需要解决传统下垂控制存在的三个问题。
此外，考虑到电力载波通信技术的发展以及其在逆变器并联运行中应用的可能性，对适用于直流配电网中逆变器并联控制的几种方法以及未来的研究方向进行展望。
（1）对于改进下垂控制，通常利用二次控制实现功率均分及消除频率/电压偏差，二次控制中，不需通信的自治控制仍是研究的重点所在。但如果自治控制的效果不佳，则二次控制中采用点对点通信的分布式控制技术更为适合，相对于集中式控制而言，分布式控制的冗余度高、经济性更好。
（2）基于电力载波通信的控制技术是解决直流配电网逆变器间电气距离大、通信线存在硬件故障瓶颈的有效方法，其实质是将通信信号编码和调制后经通过电力线路传输至逆变器，解调和解码后得到通信信号。此方法用电力线路取代复杂的通信互联线以提高下垂控制的并联控制效果，均流精度高且可靠性高，研究空间大，但存在信号调制和解调带来的高频信号干扰问题，同时对数据处理的实时性和快速性要求较高，值得进一步研究。
本文对逆变器并联运行控制技术在交直流配电网中的应用进行了探讨，主要完成了以下两方面的工作：
1）结合直流配电技术优势显著及可再生能源发展迅速的现状，提出了交直流配电网中逆变器并联运行的典型应用场景。
2）针对直流配电技术应用场景中的多逆变器并联运行问题，建模分析了逆变器环流的产生机理，对多逆变器并联运行的控制方法，尤其是适用性较强的下垂控制进行了评述，讨论给出了适用于交直流配电网的逆变器并联控制方法以及对未来的研究方向进行了展望。