基于虛擬阻抗的低壓微網(wǎng)多逆變器環(huán)流抑制研究

許 立，董成哲

（1.國網(wǎng)上海市電力公司金山供電公司營銷部，上海 200540；2.華北電力大學電氣與電子工程學院，保定 071003）

高滲透率的分布式電源，特別是光伏、風電等具有隨機性和間歇性，大量接入住宅、辦公樓宇等配電網(wǎng)末端時，會造成配電網(wǎng)以及電源自身不穩(wěn)定。微電網(wǎng)技術能夠實現(xiàn)分布式電源與大電網(wǎng)的協(xié)調(diào)和互為支撐，是發(fā)揮分布式發(fā)電系統(tǒng)技術優(yōu)勢的最有效方式。微電網(wǎng)中采用大量的現(xiàn)代電力電子技術，其中對逆變接口的控制尤為重要，微電網(wǎng)中的逆變裝置必須具有較強的魯棒性和快速性，以適應不同能源供電與負載節(jié)點的分散性以及傳輸電能的波動性和不確定性，并且能夠實現(xiàn)靈活的潮流控制以及電能的雙向流動。分布式電源技術是未來能源技術發(fā)展的主要方向之一，但其在電網(wǎng)內(nèi)的分散性導致其管理較為困難[1]?；谙到y(tǒng)角度出發(fā)的微電網(wǎng)本質上為僅有一個接口同大電網(wǎng)連接的由數(shù)臺分布式電源和負載構成的單一可控單元[2]。對比微電網(wǎng)與單個分布式電源可知，微電網(wǎng)可最大程度發(fā)揮分布式電源的優(yōu)點，在大規(guī)模并網(wǎng)基礎上向使用者提供全天候電源服務。低壓微網(wǎng)內(nèi)，不同分布式電源同并聯(lián)母線間的線路阻抗多為阻性，采用電感電流內(nèi)環(huán)、輸出電壓外環(huán)的逆變器輸出阻抗多為感性，由此導致逆變器輸出有功功率、無功功率和逆變器輸出電壓的相位與幅值間存在耦合現(xiàn)象[3]。且低壓微網(wǎng)多逆變器條件下，各逆變器控制參數(shù)與濾波器參數(shù)間的差異將造成逆變器等效輸出阻抗不同，不同逆變器同公共連接點間的距離差異也導致線路阻抗不相同。為了解決并聯(lián)多逆變器系統(tǒng)中由于線路阻抗不同而引起的系統(tǒng)無功功率分布不平衡問題，需分析傳統(tǒng)下垂控制的不足及產(chǎn)生無功電流環(huán)流的原因[4]。

針對直流微網(wǎng)中多DG 負極接地故障造成的共地環(huán)流問題，利用雙自由度控制策略對共地環(huán)流進行抑制，從而有效提高系統(tǒng)的故障穿越能力。首先論證傳統(tǒng)雙極性調(diào)制方法不能抑制共地環(huán)流，然后提出雙自由度控制策略，即通過共?？刂苼硪种乒驳丨h(huán)流，并通過下垂控制來提高各變流器均流精度，同時施加慣性環(huán)節(jié)抑制電壓跌落[5]。PWM 變流器載波移相并聯(lián)可以增大系統(tǒng)容量，減小入網(wǎng)電流諧波,但存在環(huán)流問題，因此提出一種基于準比例諧振QPR（quasi proportional resonance）和比例積分PI（proportional integral）結合的零序環(huán)流抑制方法，首先分析三相PWM 變流器環(huán)流的等效數(shù)學模型，討論零序環(huán)流ZSCC（zero-sequence circulating current）產(chǎn)生原因。對零序電壓注入式SVPWM 調(diào)制算法所產(chǎn)生的環(huán)流進行傅里葉分析，以減小入網(wǎng)電流諧波和環(huán)流[6]。建立多臺并聯(lián)逆變器的零序環(huán)流模型，通過模型發(fā)現(xiàn)零序環(huán)流不僅和參數(shù)有關，由于逆變器及線路參數(shù)差異等因素的影響，逆變器輸出電壓也存在偏差，進而在并聯(lián)逆變器之間產(chǎn)生環(huán)流。為了消除零序環(huán)流影響，提出基于無差拍和協(xié)調(diào)策略的零序環(huán)流抑制方法，通過改變零矢量作用時間實現(xiàn)零序環(huán)流抑制[7]。

多逆變器間環(huán)流上升會導致低壓微網(wǎng)整體運行出現(xiàn)異常，穩(wěn)定性下降，嚴重時會造成器件損毀?；诖?，提出基于虛擬阻抗的低壓微網(wǎng)多逆變器環(huán)流抑制策略，引入虛擬阻抗后等效輸出阻抗在較寬的頻帶下表現(xiàn)為阻性，經(jīng)由高虛擬電阻分量能降低線路阻抗差異導致的影響，提升低壓微網(wǎng)穩(wěn)定性，抑制多逆變器間環(huán)流。最后在Matlab 仿真平臺上進行相關驗證。

1 低壓微網(wǎng)多逆變器環(huán)流抑制研究

1.1 低壓微網(wǎng)結構

分布式電源構成微網(wǎng)后接入低壓配電網(wǎng)，示意圖如圖1 所示。

假設圖1 中分布式電源與儲能裝置容量滿足使用需求，在逆變器直流側電源電壓固定的條件下，圖1 中各支線可由圖2 所示的電路等效替換。

圖1 微網(wǎng)結構Fig.1 Structure of microgrid

圖2 微網(wǎng)內(nèi)分布式電源下垂控制示意Fig.2 Schematic of droop control of distributed generations in microgrid

1.2 等效輸出阻抗對輸出功率特性的影響

假設逆變器的輸出阻抗為Z，逆變器輸出有功功率為P（W），計算公式為

式中：E 和U 分別為交流母線電壓幅值和逆變器空載輸出電壓幅值；? 和θ 分別為逆變器空載輸出電壓與母線電壓相位差和阻抗角。

逆變器輸出無功功率的計算方法為

逆變器等效輸出抗阻與線路抗阻相加之和遠遠低于現(xiàn)實中負載抗阻，由此可認為sin?=?，cos?=1?；诖丝蓪⑹剑?）與式（2）分別寫為

其中：XL為感抗；XC為容抗。如果（XL-XC）＞0，稱為“感性負載”；如果（XL-XC）＜0 稱為“容性負載”；R 為逆變器等效輸出電阻同線路電阻之和；X 為逆變器等效輸出感抗同線路感抗之和。當逆變器等效輸出感抗同線路感抗之和大于逆變器等效輸出電阻同線路電阻之和時，逆變器輸出阻抗為感性負載。此時，有功功率P 和無功功率Q 的計算與逆變器等效輸出感抗同線路感抗之和有關；當逆變器等效輸出感抗同線路感抗之和小于表示逆變器等效輸出電阻同線路電阻之和時，逆變器輸出阻抗為容性負載，也稱阻性負載。此時，有功功率P 和無功功率Q 與逆變器等效輸出電阻同線路電阻之和有關。

在逆變器輸出阻抗為感性即X?R 的條件下，式（3）與式（4）可描述成

式（7）和式（8）說明? 和U 分別影響有功功率P 和無功功率Q[8]。由于能夠描述? 和角頻率給定值w 間的關系，所以通過下垂控制法調(diào)節(jié)有功功率使輸出角頻率發(fā)生變化，可以控制電壓相角差，由無功功率調(diào)節(jié)控制電壓幅值。

在逆變器輸出阻抗為阻性即R?X 條件下，式（3）與式（4）可描述為

式（8）和式（9）說明逆變器輸出電壓幅值對有功功率影響較大，而逆變器輸出電壓同母線電壓間相位差對無功功率影響較為大[9]。

有功功率主要與逆變器輸出電壓功率角有關（功率角由頻率控制）[10]，而無功功率主要與輸出電壓幅值有關，即可以通過控制逆變器的輸出電壓的頻率來實現(xiàn)有功功率的控制，通過控制逆變器輸出電壓的幅值來實現(xiàn)無功功率的控制。

1.3 低壓微網(wǎng)多逆變器雙閉環(huán)控制

低壓微網(wǎng)多逆變器環(huán)流抑制方法分為下垂控制環(huán)與逆變器控制環(huán)[11]，依照等效輸出阻抗對輸出功率特性的影響獲取其下垂控制方法，如圖3 所示。

圖3 中逆變器無功功率經(jīng)下垂系數(shù)m 調(diào)整后同角頻率給定值做差，通過積分處理獲取旋轉角度wt，用kr1表示積分處理的積分系數(shù)；有功功率經(jīng)下垂系數(shù)調(diào)整后同電壓給定值做差，經(jīng)由鎖相環(huán)節(jié)獲取與同步相位信號[12]。由此獲取低壓微網(wǎng)多逆變器電壓外環(huán)的電壓參考信號

圖3 低壓微網(wǎng)多逆變器等效輸出阻抗下垂控制Fig.3 Droop control of equivalent output impedance of multiple inverters in low-voltage microgrid

控制逆變器等效輸出電阻時通過準PR 控制器，采用瞬時電壓外環(huán)與電容電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制[13]。控制器傳遞函數(shù)為

式中：kp和kr分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)；wr和w分別為截止角頻率和基波角頻率?；谑剑?0）能夠得到低壓微網(wǎng)多逆變器選用的雙閉環(huán)控制方法，如圖4 所示。

圖4 電壓電流控制框圖Fig.4 Block diagram of voltage and current control

圖4 中kpc和kPWM分別表示電流環(huán)比例系數(shù)和逆變器增益。

1.4 虛擬阻抗設計

依據(jù)圖4 獲取電壓外環(huán)傳遞函數(shù)，表達式為

基于上述過程能夠獲取低壓微網(wǎng)多逆變器等效輸出阻抗動態(tài)模型

式中，L、C 和R 分別為濾波電感、濾波電容和濾波電感寄生電阻。引入虛擬阻抗Zv（s），其傳遞函數(shù)為

式中，RD、kL和wc分別為虛擬阻抗的阻性分量、虛擬阻抗感性分量的比例系數(shù)和低通濾波器截止頻率。使RD滿足RD?Rline，以降低線路阻抗的影響；使RD為負值，以降低逆變器等效輸出阻抗的感性分量[14]。

引入虛擬阻抗后的逆變器等效輸出阻抗傳遞函數(shù)為

依照式（11）和式（13）得到引入虛擬阻抗前后低壓微網(wǎng)多逆變器等效輸出阻抗的波特圖。

圖5 多逆變器等效輸出阻抗的波特圖Fig.5 Bode diagram of equivalent output impedance of multiple inverters

根據(jù)幅頻特性曲線可知，未引入虛擬阻抗條件下等效輸出阻抗在工頻條件下表現(xiàn)出電感性，其幅值對頻率波動較為敏感[15]。引入虛擬阻抗后等效輸出阻抗在較寬的頻帶下表現(xiàn)為阻性，經(jīng)由高虛擬電阻分量能降低線路阻抗差異導致的影響，提升低壓微網(wǎng)穩(wěn)定性，實現(xiàn)整個逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流抑制。

1.5 單相并網(wǎng)功率控制方法

并網(wǎng)中的連接系統(tǒng),連接逆變器所需的電流可以通過檢測負載電流的無功電流分量,將補償負載無功電流分量，并重組所需的有功電流分量直流側電壓。此值與并網(wǎng)電流值一起發(fā)送到電流內(nèi)環(huán)控制器進行電流閉環(huán)跟蹤控制，實現(xiàn)具有無功補償功能的單相光伏并網(wǎng)控制。為了實現(xiàn)對單相電流的無功檢測，通常將并網(wǎng)電流采集信號延遲120°（構造三相系統(tǒng)）或90°（構造兩相正交系統(tǒng)）得到不同坐標系下的虛三相或兩相電流。

圖6 為單相光伏并網(wǎng)發(fā)電與無功補償控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由直流側電壓外環(huán)、負載無功電流檢測、指令電流合成和內(nèi)環(huán)魯棒預測電流無差拍控制組成。圖中Ts為開關周期，ei為電流內(nèi)環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差，kinv為逆變器的等效增益。

圖6 并網(wǎng)控制系統(tǒng)結構Fig.6 Structure of grid-connected control system

2 實驗分析

為驗證基于虛擬阻抗的低壓微網(wǎng)多逆變器環(huán)流抑制方法的有效性與穩(wěn)定性，在Matlab/Simulink仿真平臺內(nèi)構建低壓微網(wǎng)仿真模型，該模型包含兩個分布式電源，分別定義為DG1 和DG2，圖7 為仿真模型電路結構，其中以直流電源替代分布式電源，模型主要參數(shù)如表1 所示。

表1 低壓微網(wǎng)仿真模型主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of low-voltage microgrid simulation model

圖7 低壓微網(wǎng)仿真模型電路結構Fig.7 Circuit structure of low-voltage microgrid simulation model

采用本文方法進行壓低微網(wǎng)運行仿真，輸出功率與負載功率改變條件下的仿真結果，如圖8 所示。分析圖8（a）可知，當輸出功率與負載功率發(fā)生改變時，儲能系統(tǒng)的有功輸出與無功輸出均能夠實波動均衡。分析圖8（b），兩個逆變器的A 相輸出電流在0.1 s 時電流方向改變，儲能系統(tǒng)運行狀態(tài)由放電轉為充電，在0.2 s 時，電流幅值隨著功率缺額的提升而提升。分析圖8（c）得到，兩臺逆變器間的環(huán)流基本保持在2 A 以下，說明低壓微網(wǎng)系統(tǒng)可穩(wěn)定運行。

圖8 本文方法的仿真結果Fig.8 Simulation results of this method

對初始運行條件下K2 閉合，K1 與K3 斷開，運行0.5 s 后K3 閉合，DG2 并入微網(wǎng)，繼續(xù)運行0.3 s后，K3 斷開，DG2 脫離微網(wǎng)條件下，低壓微網(wǎng)仿真模型運行情況進行仿真，結果如圖9 所示。分析圖9（a）和圖9（b）可知，采用本文方法能夠進行分布式電源的即插即用，在DG2 并入微網(wǎng)過程中產(chǎn)生大量沖擊電流，主要原因在于DG2 并入微網(wǎng)過程中與DG1兩端的輸出電壓存在差異，因此需對分布式電源實施進一步的同步并網(wǎng)控制。分析圖9（c）和圖9（d）可知，低壓微網(wǎng)仿真模型中電壓與頻率都較為穩(wěn)定，在DG2 并入微網(wǎng)過程中，頻率存在瞬間起伏變化，仿真結果與下垂特性相符。

圖9 DG2 加入/脫離條件下低壓微網(wǎng)的運行特性Fig.9 Operation characteristics of low-voltage microgrid with DG2 in/out

采用本文方法前后逆變器輸出電流如圖10 所示。由圖10 可以看出，加入虛擬阻抗前，逆變器并聯(lián)時系統(tǒng)已經(jīng)處在不穩(wěn)定區(qū)域，而加入虛擬阻抗后，逆變器并聯(lián)，系統(tǒng)仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖10（b）所示，這說明，引入虛擬阻抗，提高了微電網(wǎng)對弱電網(wǎng)的適應能力，實現(xiàn)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流抑制。

圖10 采用本文方法前后逆變器輸出電流Fig.10 Output current from inverters before and after the use of the proposed method

為驗證本文方法的穩(wěn)定性，采用特征值分析方法對其進行小擾動分析，在運行控制方式下，改變直流傳輸功率，計算區(qū)域振蕩模式阻尼，并與文獻[6]方法進行對比。在保持換流站交流換流母線電壓為定值，不同直流傳輸功率下，區(qū)域間振蕩模式阻尼比對交流換流母線電壓的影響如圖11。通過圖11 可以看出，在傳輸功率不斷改變的情況下，本文方法相比于文獻[6]的電壓變化曲線更加平穩(wěn)，由此可以證明，本文方法能夠有效地控制電壓的變化，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖11 交流換流母線電壓變化對比Fig.11 Comparison of voltage variation of AC converter bus

3 結語

本文提出基于虛擬阻抗的低壓微網(wǎng)多逆變器環(huán)流抑制策略，基于逆變器等效輸出阻抗對輸出功率特性影響的分析，通過引入虛擬阻抗將工頻條件下等效輸出阻抗的感性轉變?yōu)樽栊裕瑢崿F(xiàn)低壓微網(wǎng)分布式電源間的無互聯(lián)線控制與環(huán)流抑制，仿真結果驗證本文方法的有效性。