基于自适应虚拟阻抗多换流器微电网切换运行控制策略研究

田素娟，王艺龙，周志强

（1.包头职业技术学院 电气工程系，内蒙古包头，014030；2.国网江苏省电力有限公司超高压分公司，江苏南京，211102）

目前，国内的微电网技术已经取得了长足的发展，但是对于基于自适应虚拟阻抗的多换流器微电网切换运行稳定性研究还不够深入，本文以基于自适应虚拟阻抗的多换流器微电网切换运行研究为新型研究方向，开展研究。

1 自适应虚拟阻抗多换流器微电网策略

基于自适应虚拟阻抗的多换流器微电网切换运行研究，其中的微电源主要由当前具有巨大应用前景的风力发电和光伏发电这两种互补的新能源系统组成，储能装置拟采用当前技术相对成熟可靠的磷酸铁锂电池。

■1.1 拓扑结构设计

采用国内、外示范工程主流的微电网结构——主从结构，设计了多换流器微电网的拓扑结构类型，多换流器微电网结构图如图1 所示。

图1 多换流器微电网拓扑图

1.1.1 三相桥式电压型逆变器拓扑图

三相桥式电压型逆变器拓扑图如图2 所示。

图2 三相逆变器拓扑图

典型三相桥式电压型逆变器拓扑图如图2 所示，该电路的拓扑结构采用六个IGBT 作为电压型逆变电路的自关断开关器件，电路中的两个电容的作用主要是利用电容的储能功能，使输出的电压平稳，起到稳压作用，而每个IGBT 并联一个二极管的作用主要是给逆变器的导通阶段提供续流，LC 滤波器在电路中的主要作用是滤除因电力电子器件等存在使电路产生的谐波，滤波器对于逆变器的运行至关重要，其参数的选择是否合适直接关系到系统的正常运行，因此必须对其参数进行慎重选择。

由图2 可推导出滤波电感 fL的状态方程是:

滤波电容Cf的状态方程是:

上面的式子中vs，v1，is，i1都是矢量，表示为：

将(3)中vs，v1，is，i1代入(1)和(2)可得到：

三相静止的坐标系(a、b、c)下并网逆变器的数学模型虽然其物理意义清晰、易于理解，但在这类模型中，由于逆变器的交流部分是时变得交流量，存在耦合现象，不易对其进行控制。

因此需通过Park 变换将三相静止坐标系(a、b、c)中的电气量转化为两相同步旋转坐系(d、q)中的电气量，从而将正弦时变量转换为直流变量，从而实现简化微电网的系统控制。同步旋转坐标系和三相静止坐标系之间的转换公式如下:

这两种坐标的之间的关系如图3 所示。

图3 abc 坐标系与dq 坐标系

当(d、q)坐标系以电网的基波角频率ω同步旋转时，上述中的θ可以表示为:

逆变器输出的相角θ和频率f可有三相锁相环来得到，利用式子(7)、(8)对式子(4)Park 变换从而得到dq 两相坐标系的状态方程为：

同理对式子(5)进行Park 变换可得到下式：

由于正弦脉冲宽度调制(SPWM)控制具有线性度优良、易于实现、模型简洁等诸多优点，加上单极性的SPWM 控制对于复杂的三相电路不易控制因而本文的控制方式采用双极性SPWM 控制方式。

由SPWM 生成的原理知道:载波频率的表达式为：

式子中，fc为载波频率；fn为逆变器输出电压的基波频率；N为调制比。

取fn=50Hz，当N≥9 时，则SPWM 波中除基波频率外，只剩下2N-1 及以上次高次谐波。从这一角度来说，N应越大越有利，因为谐波次数越高越容易滤除从而可使输出滤波器体积进一步小型化。但是为了避免上下IGBT 上下桥臂的直接导通，实际中加入了死区时间，而产生的死区效应引入了2,3,4, ……,2N-2 等低次谐波逆变器的输出电压中。意味着载波频率越高，死区作用就越大，进而对输出电压的波形质量产生较大影响。因而，逆变器的载波频率不论过大还是过小，都会对逆变器的输出指标产生不利的影响。

1.1.2 PQ 控制策略

PQ 控制主要应用在输出不恒定的微电源(如：风能发电、太阳能发电等)。因这类微电源受天气的影响较大，具有不连续性，需要配套大容量的储能装置来稳定负荷的波动，从而增加了成本。所以间歇类微电源的控制并不是要满足负荷的波动，而是要保证可循环新能源的最大利用率，故采用PQ 控制，以确保有多少功率就能输出多少功率。采用PQ 控制方式的微电源不需要承担微电网内的频率和电压的稳定，微电网在并网运行时由大电网来实现功率和电压的稳定，当处于孤岛运行时由微电网内燃气轮机、蓄电池等能够保持恒定出力的微电源来提供电压和频率的稳定。

PQ 控制能够最大限度的保证微电源输出恒定的P(有功功率)和Q(无功功率)，从而实现新能源的最大利用。PQ 控制下的微电源在潮流计算中相当于电力系统中的PQ节点，根据参考值的Pref和Qref输出功率。控制器采用双环控制结构，外环主要用于实现控制目的以及产生内环所需信号，内环主要用于精细化调节，用于改善输出电能质量。

式中，Pref、Qref为有功功率和无功功率参考值；kp1、ki1、kp2、ki2为外环PI 控制器参数；P0、Q0为实际值；idref、iqref为电流环参考值。

式中，ud、uq为内环控制器输出d、q轴电压；kpi1、kii1、kpi2、kii2为内环PI 控制器参数。

经过滤波电路的dq 方程：

式中，Vsd、Vsq为经过电感补偿后的d、q轴电压；ωLiq、ωLid为滤波电感补偿量。

逆变器出口瞬时功率为：

由式子(12)~(15)可设计出如图4 的PQ 控制器的控制框架图，利用其来分析PQ 的控制原理。

图4 PQ 控制器

PQ 控制器在测得微电源输入电网的电流iabc、uabc经过派克变换后变为id、iq、ud、uq，首先有功功率和无功功率的设定值Pref、Qref与瞬时功率P0=3/2(udid+uqiq)、Q0=3/2(uqidudiq)做差运算经PI 调节器输出id-ref和iq-ref，然后id、iq与输出值id-ref和iq-ref进行运算，经运算后在通过PI 调节器调节，从而获得为逆变器设定的输出电压电压设定值ud-ref和uq-ref，在根据逆变器出口的滤波电路中的电感L、C 的参数设置补偿然后与ud、uq进行统一运算，从而得到设定电压的参照量ud-s和uq-s来达到控制逆变器的dq轴的目的，再经派克反变换，重新转变成abc分量，最终满足控制逆变器接口的要求。

如图5 所示为PQ 控制特性图，将进一步对PQ 控制的原理进行分析。在微电网频率为工频50Hz、微电源出口电压为额定值UN时，微电源运行在f0、U0对应的A 点，输出额定的有功功率（Pref）和无功功率（Qref）；当微电网的频率增大或减小，同时微电源的出口电压幅值也增大或减小，则微电源的运行点将从A 点向C 点或B 点逐步移动，但是输出的有功功率（Pref）和无功功率（Qref）将保持不变。综上所述，采用PQ 控制的微电源能够很好地实现有功功率和无功功率的恒定输出但并不能承担调节电压和频率的任务，需要微电网中存在维持电压和频率的微电源或大电网来提供电压和频率的支撑。

图5 PQ 控制特性图

1.1.3 V/F 控制策略

无论PQ 控制还是Droop 控制最大的缺陷就是不能使处于孤岛运行的微电网保持电压和频率的稳定，然而微电网的电压和频率的不稳定，势必会造成微电网系统的电能质量下滑，从而可能进一步引起孤岛运行的微电网崩溃，因此微电网孤岛运行时需要改变微电源的控制策略才行，而由于V/F 控制能够保证电压和频率的稳定，因而需要在孤岛运行时，将主控微电源切换至V/F 控制器，来实现微电网孤岛运行时电压和频率的稳定。图6 为V/F 控制的结构图，采用的是双环控制原理即电压外环，电流内环。

图6 V/F 结构图

■1.2 增加Z(s)自适应虚拟阻抗环，其控制器的拓扑结构

增加Z(s)自适应虚拟阻抗环后，其控制策略为增加电压负反馈信号加载在输入端共同得到新的电压参考值。如图7 所示。

图7 引入虚拟阻抗控制器拓扑图

2 仿真及试验验证

在大型电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC 中初步建立了仿真模型，如图8 所示。

图8 仿真模型

微电网并网稳态运行模型，用理想交流电压源通过10.5kV/0.4kV 变压器变成低压0.4kV 模拟大电网（低压配电网），微电源DG 采用PQ 控制输出额定功率0.1MW、0.02MVar，微电网内总的有功负荷为0.69MW；按功率因数0.95 计无功负荷为0.222MVar，具体为非敏感 负 荷load1 为0.12MW、0.036MVar；敏感负荷Load2为0.27MW、0.09MVar；敏感负荷load3 为0.3MW、0.096MVar，所采用的的负载为恒定功率的感性负载模型， dP/dV=dQ/dV=0，dP/dF =dQ/dF=0，每条线路电阻为0.001Ω。直流电压源电压为1.2KV；滤波电感为0.0005H；功率外环PI 调节器参数为：2、0.01s；电流内环PI 调节器参数为：0.3、0.0005s，载波频率4950Hz。

微电网内有功功率图如图9 所示，PCC 与微电网系统内电压图如图10 所示，由此可见，加入自适应虚拟阻抗环后，在多换流器微电网并/孤网切换时电压和功率运行平稳。

图9 微电网内有功功率图

图10 PCC 与微电网系统内电压图

3 结论

本文对多换流器微电网切换运行时进行了研究，提出了适用于多换流器微电的自适应虚拟阻抗策略，通过理论和试验证明在增加相同虚拟阻抗的条件下，自适应虚拟阻抗策略可使逆变器并/孤网切换时更加稳定，从而提高多换流器微电网切换运行的稳定性。仿真和实验结果证明了本文所提基于自适应虚拟阻抗多换流器微电网切换运行策略的有效性。