基于自適應虛擬阻抗多換流器微電網切換運行控制策略研究

田素娟，王藝龍，周志強

（1.包頭職業技術學院 電氣工程系，內蒙古包頭，014030；2.國網江蘇省電力有限公司超高壓分公司，江蘇南京，211102）

目前，國內的微電網技術已經取得了長足的發展，但是對于基于自適應虛擬阻抗的多換流器微電網切換運行穩定性研究還不夠深入，本文以基于自適應虛擬阻抗的多換流器微電網切換運行研究為新型研究方向，開展研究。

1 自適應虛擬阻抗多換流器微電網策略

基于自適應虛擬阻抗的多換流器微電網切換運行研究，其中的微電源主要由當前具有巨大應用前景的風力發電和光伏發電這兩種互補的新能源系統組成，儲能裝置擬采用當前技術相對成熟可靠的磷酸鐵鋰電池。

■1.1 拓撲結構設計

采用國內、外示范工程主流的微電網結構——主從結構，設計了多換流器微電網的拓撲結構類型，多換流器微電網結構圖如圖1 所示。

圖1 多換流器微電網拓撲圖

1.1.1 三相橋式電壓型逆變器拓撲圖

三相橋式電壓型逆變器拓撲圖如圖2 所示。

圖2 三相逆變器拓撲圖

典型三相橋式電壓型逆變器拓撲圖如圖2 所示，該電路的拓撲結構采用六個IGBT 作為電壓型逆變電路的自關斷開關器件，電路中的兩個電容的作用主要是利用電容的儲能功能，使輸出的電壓平穩，起到穩壓作用，而每個IGBT 并聯一個二極管的作用主要是給逆變器的導通階段提供續流，LC 濾波器在電路中的主要作用是濾除因電力電子器件等存在使電路產生的諧波，濾波器對于逆變器的運行至關重要，其參數的選擇是否合適直接關系到系統的正常運行，因此必須對其參數進行慎重選擇。

由圖2 可推導出濾波電感 fL的狀態方程是:

濾波電容Cf的狀態方程是:

上面的式子中vs，v1，is，i1都是矢量，表示為：

將(3)中vs，v1，is，i1代入(1)和(2)可得到：

三相靜止的坐標系(a、b、c)下并網逆變器的數學模型雖然其物理意義清晰、易于理解，但在這類模型中，由于逆變器的交流部分是時變得交流量，存在耦合現象，不易對其進行控制。

因此需通過Park 變換將三相靜止坐標系(a、b、c)中的電氣量轉化為兩相同步旋轉坐系(d、q)中的電氣量，從而將正弦時變量轉換為直流變量，從而實現簡化微電網的系統控制。同步旋轉坐標系和三相靜止坐標系之間的轉換公式如下:

這兩種坐標的之間的關系如圖3 所示。

圖3 abc 坐標系與dq 坐標系

當(d、q)坐標系以電網的基波角頻率ω同步旋轉時，上述中的θ可以表示為:

逆變器輸出的相角θ和頻率f可有三相鎖相環來得到，利用式子(7)、(8)對式子(4)Park 變換從而得到dq 兩相坐標系的狀態方程為：

同理對式子(5)進行Park 變換可得到下式：

由于正弦脈沖寬度調制(SPWM)控制具有線性度優良、易于實現、模型簡潔等諸多優點，加上單極性的SPWM 控制對于復雜的三相電路不易控制因而本文的控制方式采用雙極性SPWM 控制方式。

由SPWM 生成的原理知道:載波頻率的表達式為：

式子中，fc為載波頻率；fn為逆變器輸出電壓的基波頻率；N為調制比。

取fn=50Hz，當N≥9 時，則SPWM 波中除基波頻率外，只剩下2N-1 及以上次高次諧波。從這一角度來說，N應越大越有利，因為諧波次數越高越容易濾除從而可使輸出濾波器體積進一步小型化。但是為了避免上下IGBT 上下橋臂的直接導通，實際中加入了死區時間，而產生的死區效應引入了2,3,4, ……,2N-2 等低次諧波逆變器的輸出電壓中。意味著載波頻率越高，死區作用就越大，進而對輸出電壓的波形質量產生較大影響。因而，逆變器的載波頻率不論過大還是過小，都會對逆變器的輸出指標產生不利的影響。

1.1.2 PQ 控制策略

PQ 控制主要應用在輸出不恒定的微電源(如：風能發電、太陽能發電等)。因這類微電源受天氣的影響較大，具有不連續性，需要配套大容量的儲能裝置來穩定負荷的波動，從而增加了成本。所以間歇類微電源的控制并不是要滿足負荷的波動，而是要保證可循環新能源的最大利用率，故采用PQ 控制，以確保有多少功率就能輸出多少功率。采用PQ 控制方式的微電源不需要承擔微電網內的頻率和電壓的穩定，微電網在并網運行時由大電網來實現功率和電壓的穩定，當處于孤島運行時由微電網內燃氣輪機、蓄電池等能夠保持恒定出力的微電源來提供電壓和頻率的穩定。

PQ 控制能夠最大限度的保證微電源輸出恒定的P(有功功率)和Q(無功功率)，從而實現新能源的最大利用。PQ 控制下的微電源在潮流計算中相當于電力系統中的PQ節點，根據參考值的Pref和Qref輸出功率?？刂破鞑捎秒p環控制結構，外環主要用于實現控制目的以及產生內環所需信號，內環主要用于精細化調節，用于改善輸出電能質量。

式中，Pref、Qref為有功功率和無功功率參考值；kp1、ki1、kp2、ki2為外環PI 控制器參數；P0、Q0為實際值；idref、iqref為電流環參考值。

式中，ud、uq為內環控制器輸出d、q軸電壓；kpi1、kii1、kpi2、kii2為內環PI 控制器參數。

經過濾波電路的dq 方程：

式中，Vsd、Vsq為經過電感補償后的d、q軸電壓；ωLiq、ωLid為濾波電感補償量。

逆變器出口瞬時功率為：

由式子(12)~(15)可設計出如圖4 的PQ 控制器的控制框架圖，利用其來分析PQ 的控制原理。

圖4 PQ 控制器

PQ 控制器在測得微電源輸入電網的電流iabc、uabc經過派克變換后變為id、iq、ud、uq，首先有功功率和無功功率的設定值Pref、Qref與瞬時功率P0=3/2(udid+uqiq)、Q0=3/2(uqidudiq)做差運算經PI 調節器輸出id-ref和iq-ref，然后id、iq與輸出值id-ref和iq-ref進行運算，經運算后在通過PI 調節器調節，從而獲得為逆變器設定的輸出電壓電壓設定值ud-ref和uq-ref，在根據逆變器出口的濾波電路中的電感L、C 的參數設置補償然后與ud、uq進行統一運算，從而得到設定電壓的參照量ud-s和uq-s來達到控制逆變器的dq軸的目的，再經派克反變換，重新轉變成abc分量，最終滿足控制逆變器接口的要求。

如圖5 所示為PQ 控制特性圖，將進一步對PQ 控制的原理進行分析。在微電網頻率為工頻50Hz、微電源出口電壓為額定值UN時，微電源運行在f0、U0對應的A 點，輸出額定的有功功率（Pref）和無功功率（Qref）；當微電網的頻率增大或減小，同時微電源的出口電壓幅值也增大或減小，則微電源的運行點將從A 點向C 點或B 點逐步移動，但是輸出的有功功率（Pref）和無功功率（Qref）將保持不變。綜上所述，采用PQ 控制的微電源能夠很好地實現有功功率和無功功率的恒定輸出但并不能承擔調節電壓和頻率的任務，需要微電網中存在維持電壓和頻率的微電源或大電網來提供電壓和頻率的支撐。

圖5 PQ 控制特性圖

1.1.3 V/F 控制策略

無論PQ 控制還是Droop 控制最大的缺陷就是不能使處于孤島運行的微電網保持電壓和頻率的穩定，然而微電網的電壓和頻率的不穩定，勢必會造成微電網系統的電能質量下滑，從而可能進一步引起孤島運行的微電網崩潰，因此微電網孤島運行時需要改變微電源的控制策略才行，而由于V/F 控制能夠保證電壓和頻率的穩定，因而需要在孤島運行時，將主控微電源切換至V/F 控制器，來實現微電網孤島運行時電壓和頻率的穩定。圖6 為V/F 控制的結構圖，采用的是雙環控制原理即電壓外環，電流內環。

圖6 V/F 結構圖

■1.2 增加Z(s)自適應虛擬阻抗環，其控制器的拓撲結構

增加Z(s)自適應虛擬阻抗環后，其控制策略為增加電壓負反饋信號加載在輸入端共同得到新的電壓參考值。如圖7 所示。

圖7 引入虛擬阻抗控制器拓撲圖

2 仿真及試驗驗證

在大型電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC 中初步建立了仿真模型，如圖8 所示。

圖8 仿真模型

微電網并網穩態運行模型，用理想交流電壓源通過10.5kV/0.4kV 變壓器變成低壓0.4kV 模擬大電網（低壓配電網），微電源DG 采用PQ 控制輸出額定功率0.1MW、0.02MVar，微電網內總的有功負荷為0.69MW；按功率因數0.95 計無功負荷為0.222MVar，具體為非敏感 負 荷load1 為0.12MW、0.036MVar；敏感負荷Load2為0.27MW、0.09MVar；敏感負荷load3 為0.3MW、0.096MVar，所采用的的負載為恒定功率的感性負載模型， dP/dV=dQ/dV=0，dP/dF =dQ/dF=0，每條線路電阻為0.001Ω。直流電壓源電壓為1.2KV；濾波電感為0.0005H；功率外環PI 調節器參數為：2、0.01s；電流內環PI 調節器參數為：0.3、0.0005s，載波頻率4950Hz。

微電網內有功功率圖如圖9 所示，PCC 與微電網系統內電壓圖如圖10 所示，由此可見，加入自適應虛擬阻抗環后，在多換流器微電網并/孤網切換時電壓和功率運行平穩。

圖9 微電網內有功功率圖

圖10 PCC 與微電網系統內電壓圖

3 結論

本文對多換流器微電網切換運行時進行了研究，提出了適用于多換流器微電的自適應虛擬阻抗策略，通過理論和試驗證明在增加相同虛擬阻抗的條件下，自適應虛擬阻抗策略可使逆變器并/孤網切換時更加穩定，從而提高多換流器微電網切換運行的穩定性。仿真和實驗結果證明了本文所提基于自適應虛擬阻抗多換流器微電網切換運行策略的有效性。