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基于动态虚拟复阻抗的微网下垂控制策略.docx
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基于动态虚拟复阻抗的微网下垂控制策略.docx
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1 引言
很多国家或地区将化石燃料作为生产电能的主要来源,导致环境污染和能
源短缺问题日益严峻
[1]
。传统大电网对于偏远地区输电的局限性日益凸显,由于
传输距离较远,线路阻抗造成的电力损耗十分巨大
[2]
。太阳能、风能等可再生资
源的开发利用与由其组成的微电网在改善大电网系统供能方面潜力巨大,得到
广泛重视
[3]
。逆变器作为直流母线到交流负载的功率变换和能量控制的接口单
元,为分布式可再生能源的利用提供了途径。由于诸多因素的限制,单台逆变器
已不能满足系统容量的需求。多台逆变器并联可以提高系统容量、增加系统冗
余、提高供电可靠性、增强系统灵活性
[4]
。但多逆变器并联运行要求各逆变器
的输出电压无压差,并且频率和相位一致。实际应用中,由于系统设备存在差异、
硬件参数不同、开关动作不一致等因素,为逆变器并联带来一些困难,导致并联
逆变器系统内部形成环流,使得功率 分配不均,影响 系统稳定可 靠运行,因此对
系统内部环流进行抑制就显得十分必要
[5,6]
。
下垂控制由于不需要逆变器之间进行通信线连接,各逆变器既可以独立运
行也可以并联运行,并且单台出现故障也不会影响系统内其他逆变器正常运行,
其“即插即用”或“热插拔”的优势得到了广泛认可
[7,8]
。在对下垂控制进行分析的
时候,一般假定系统线路阻抗为纯阻性或纯感性,但在低压微电网当中线路阻抗
往往呈阻感特征,这使系统输出有功功率和无功功率出现耦合。为实现功率解
耦控制,文献[9]通过比例谐振闭环控制器调节逆变器输出阻抗为零,避免了功率
耦合对输出电流的影响,但仿真与试验均未考虑线路阻抗不匹配的情形;文献[10]
提出等效参考电流控制法,通过对电流参考值与实际值的偏差进行控制,实现了
并离网间的平滑切换;文献[11]在传统控制中分别引入功率、下垂系数一次函数
项和微分项,实现了下垂系数随功率变化的动态调整,同时提高了系统稳定性与
动态响应;文献[12,13,14,15,16,17]通过在控制系统中引入虚拟阻抗环,调节等
效输出阻抗呈所需特性实现功率解耦;文献[18,19]对其虚拟阻抗导致的压降进
行补偿,提升了输出电压质量;文献[20]针对虚拟阻抗造成逆变器出口电压下降
的问题,将等效输出阻抗视为虚拟同步发电机电抗,删除无功功率-电压控制环,
简化了控制结构;文献[21]通过引入虚拟功率得出线路阻感比与下垂控制的耦合
关系,增加虚拟阻抗控制环进行功率解耦,实现功率均分;文献[22]提出了一种基
于虚拟阻抗的并联逆变器主从控制方法对环流进行抑制。
本文在分析了逆变器输 出功率 传输特性以及环流 的产生 与影响因素基础
上,采用虚拟复阻抗方法,对微网系统环流进行抑制。考虑到输出电压与等效输
出阻抗的关系,进一步提出动态虚拟复阻抗方法来抑制环流,并通过仿真验证了
所提方法的可行性。
2 功率传输特性分析
下垂控制方式中,并联系统各逆变器通过采集自身信号调节输出特性,逆变
器之间无需通信线连接。图 1 为连接到公共母线的多逆变器简化电路示意图。
图 1
图 1 并联逆变器简化电路示意图
从图 1 可得逆变器输出相电流、有功功率、无功功率分别如式(1)、(2)所
示
I˙i=Ei∠δi−V∠0∘Zi∠θi=Ei∠(δi−θi)|Zi|−V∠(−θi)|Zi|= Eicos(δi−θi)−Vcos(
θi)|Zi|+ jEisin(δi−θi)+Vsin(θi)|Zi|I˙i=Ei∠δi−V∠0∘Zi∠θi=Ei∠(δi−θi)|Zi|−V∠
(−θi)|Zi|= Eicos(δi−θi)−Vcos(θi)|Zi|+ jEisin(δi−θi)+Vsin(θi)|Zi|
(1)
式中,V∠0°为交流母线端压(以交流母线电压相位为参考相位);E
i
∠δ
i
为逆
变器端的输出电压;δ
i
为逆变器端输出电压与交流母线电压相角差;第 i 台逆变器
等效输出阻抗为 Z
i
∠θ
i
=R
i
+jωL
i
,其中包括逆变器输出阻抗和线路阻抗,θ
i
为等效
输出阻抗角;Z
load
为并联逆变器公共负载;S
i
=P
i
+jQ
i
为第 i 台逆变器输出复功率,
其中 P
i
,Q
i
分别为对应的有功功率和无功功率。
⎧⎩⎨Pi=3V|Zi|[Eicosδi−θi)−Vcosθi]Qi=−3V|Zi|[Eisin(δi−θi)+Vsinθi]{Pi=3V
|Zi|[Eicosδi−θi)−Vcosθi]Qi=−3V|Zi|[Eisin(δi−θi)+Vsinθi]
(2)
由式(2)可以看到,P
i
,Q
i
同时受到 E
i
,δ
i
的影响,造成控制系统耦合。下垂控制
的主要目的是使并联逆变器所承担的功率实现合理分配,并期望以 P
i
,Q
i
作为被
控制对象,以 E
i
,δ
i
作为控制对象的单输入单输出系统,因此需要对控制系统进行
解耦。
由 于 连 线 阻 抗 远 小 于 负 载 阻 抗 , 通 常 情 况 下 相 角 差 δ
i
很 小 , 因 此
sinδ
i
≈δ
i
,cosδ
i
≈1。低压线路阻抗以阻性成分为主,假设系统输出阻抗为纯阻性,
则可认为 θ
i
=arctan(ωL
i
/R
i
)。
对 P
i
,Q
i
分别求 E
i
,δ
i
的偏导数并简化得式(3),在输出阻抗为纯阻性的低压系
统中,逆变器电压相位变化和输出无功功率相关,电压幅值变化和输出有功功率
相关。由于 ω
i
=dδ
i
/dt,因此可以通过改变逆变器电压幅值控制有功功率输出,改
变电压角频率间接改变相位控制无功功率输出。
⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪∂Pi∂δi=3VEi|Zi|sin(θi
−δi)≈0∂Pi∂Ei=3V|Zi|cos(θi−δi)≈3V|Zi|∂Qi∂δi=−3VEi|Zi|cos(θi−δi)≈−3VEi|
Zi|∂Qi∂Ei=3V|Zi|sin(θi−δi)≈0{∂Pi∂δi=3VEi|Zi|sin(θi−δi)≈0∂Pi∂Ei=3V|Zi|cos
(θi−δi)≈3V|Zi|∂Qi∂δi=−3VEi|Zi|cos(θi−δi)≈−3VEi|Zi|∂Qi∂Ei=3V|Zi|sin(θi−δi)≈0
(3)
由于∂Q
i
/∂δ
i
为负值,因此可认为 Q
i
与-δ
i
相关,为了使 QF 环形成负反馈,k
Qi
Q
i
之前的符号须为“+”,从而使该项成为增加项。传统的 PV-QF 下垂控制方式如式
(4)所示
{Ei=Vi∗−kPiPiωi=ωi∗+kQiQi{Ei=Vi∗−kPiPiωi=ωi∗+kQiQi
(4)
式中,E
i
,ω
i
分别为逆变器实际输出电压幅值和角频率;V
i
*
,ω
i
*
分别为逆变器
输出电压幅值和角频率的参考值;P
i
,Q
i
分别为逆变器实际输出有功功率和无功
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