容性等效输出阻抗逆变器控制策略研究

容性等效输出阻抗逆变器控制策略研究

0同容量变压器串联均衡控制策略分布能源已成为智能电网发展的重要分支。在引入各种分布能源设备（微网）后，引入配电网，形成了“集中-分散”的能源模式。其中，基于畸变接口和网络的分布式能源网络得到广泛应用。如何大规模逆变型分布式电源不仅可以改善微网接入点的能耗，并承担部分电压和频率调整任务已成为新的研究热点之一。一般情况下,电网运行控制的研究绝大部分是基于感性网络进行的,微网作为小型的发配电系统,具备复杂的电源和负荷特性,其电压稳定和控制问题与感性网络也有很大不同。大多数文献都集中在讨论感性等效输出阻抗逆变器或阻性等效输出阻抗逆变器的先进控制方法,以及同容量逆变器并联均流问题研究[4,5,6,7,8,9,10,11,12],取得了众多有益的成果。针对不同容量逆变器并联和环流控制,文献[13-14]作为本文容性等效输出阻抗逆变器并联功率控制和分析的基础进行了一些前期研究。但如何有效地使微源逆变器参与配网/微网的电压调整等研究较少,分布式电源并网逆变器不具备大电网发电机类似的大转动惯量等特性,以应用较广泛的感性输出阻抗逆变器和阻性等效输出阻抗逆变器为例,采用传统下垂控制方式时,输出电压会随着负荷功率或交换功率需求增大而降低,同时由于容量限制和逆变器钳制作用,这种电源特性不利于维持电压稳定和参与配网电压调整,但阻性等效输出阻抗逆变器较感性等效输出阻抗逆变器在低压线路环境多逆变器并联功率精确控制中更具优势。配网中配置的无功补偿器一般设计功率/电压倾斜的方向是电压随着吸收感性电流的增加而升高,假如能够设计分布式并网逆变器具备无功补偿器类似的倾斜特性,即接入点电压随着交换功率的增大而增大,即设计等效输出阻抗呈容性,这种倾斜的特性在满足负荷需求的同时可以兼顾改善电压偏移。在配网(微网)中部署一台或几台容性等效输出阻抗逆变器将有效降低无功补偿器的配置容量,改善局部电压调整。容性等效输出阻抗逆变器的倾斜特性类似于孤岛电网中进相运行的发电机,其功能类似于发电机进相运行平衡无功以控制系统电压。本文首先对容性等效输出阻抗逆变器控制器进行了数学建模,在分析传统下垂控制器在功率分配精度和环流方面的弊端之后,给出改进下垂控制器设计方案,设计的容性分布式电源并网逆变器能够更有效地参与配网电压调整,并具备维持接入点电压稳定的能力。仿真和实验部分分别对容性逆变器、感性逆变器、改进下垂控制器容性逆变器和改进下垂控制器感性逆变器的性能及其并联运行的情况进行分析,证明容性逆变器在参与系统电压调整的有益贡献。1源等体积补偿源控制器的建模1.1容性等效输出阻抗的工作原理以图1所示逆变器并联模型进行系统功率分析。把逆变器等效为一个有内阻的电压源,UA、UB、Uo分别为微源A逆变器输出电压、微源B逆变器输出电压、交流并联母线电压;微源逆变器A、B等效输出阻抗表示为Zn(n=A,B),其中uf064A、uf064B分别为微源A、B的输出电压相位,uf071A、uf071B为输出等效输出阻抗的相位。本文将容性等效输出阻抗用虚线表示,它并不是物理上的电容,而仅是数学意义上的输出阻抗。图1所示并联系统模型可以描述微网中感性、阻性、容性输出阻抗逆变器并联的各种组合情况。逆变型微源输出功率的表达式为由式(1)可知,输出有功功率和无功功率与输出电压幅值Un和频率(wn=dδn/dt)都有关,并且因输出阻抗特性差异和闭环控制技术的采用,等效输出阻抗角的变化决定功率下垂控制方程的形式。表1为等效线路呈感性(Өn=90°)、阻性(Өn=0°)以及容性(Өn=-90uf0b0)时对应的功率表达式和下垂控制方程,图2为由表1得出的下垂曲线。mn、nn为下垂系数;uf077*、U*分别为参考频率和参考电压。如图2(c)所示容性等效输出阻抗逆变器下垂控制特性,假如在微网中设置一台或多台逆变器按照容性等效输出阻抗下垂特性运行,体现与感性等效输出阻抗逆变器相逆的控制作用,在理论上可以改善系统电压水平。例如在输出有功功率/无功功率的同时可以抬升频率/电压运行点,将有利于抵制因下垂控制、配网交换功率及负荷功率变化带来的电压和频率偏移。因频率易被配网拉入同步,本文主要关注电压调整。1.2容性等效输出阻抗3g逆变器设计中,功率控制环和电压电流环构成控制器主体,这两者功能相对独立,电压电流环主要用于改善电压输出性能,同时设计电压电流环增益可方便地控制等效输出阻抗呈感性、阻性、容性或感性阻性混合性,本节主要分析电压电流环,在2.1节对控制器整体做分析。e*(t)为逆变器经功率控制环得出的电压参考信号,为将分布式电源逆变器设计为基准正弦电压源和虚拟阻抗串联的形式,提出如下控制器:式中G1、G2为待设计的局部控制器。微源逆变器输出电压uf为本文近似uf(28)u,联立式(3)、(4)可得分布式电源逆变器设置虚拟阻抗Zv为可整理得出分布式电源逆变器的等效输出阻抗Zo为如果能够合理设计Zo,使其呈容性,则可以获得容性等效输出阻抗分布式电源逆变器,这就需要对局部控制器G1、G2进行设计。对比式(7),显然逆变器等效输出阻抗已经包含虚拟阻抗在内。令等效输出阻抗的设计目标为Zo=1/sCo,使其具备电容特性,G1、G2应具备积分项,用于消除控制环跟踪稳态误差,同时应具备微分项用于提高动态性能,设计局部控制器G1为代入式(8)得解得联合式(2)、(3)得由滤波电容器电流与输出电压的关系及式(4)可得式中IC(s)为输出滤波电容流过的电流,代入式(12)用于减少微分项和简化控制器,得式(15)为容性等效输出阻抗分布式电源逆变器电压电流环控制器表达式,改变式中Co即改变虚拟输出电容值,易于编程实现,同时局部控制器G1、G2的引入使得更加便于对电压电流环增益实施精确控制。其中Co的取值应能保证输出电压质量和降低谐波水平。上述建模实际效果等同于在虚拟阻抗计算通道上引入一个积分器用于产生1/sCo。功率控制环属于经典控制,不专门做建模分析,至此容性逆变器建模完成,其倾斜补偿特性的体现取决于下垂控制方程形式和虚拟阻抗性质两个条件。2循环分析与改进设计的设计2.1微网变压器等效功率分配模型低压线路阻抗一般呈阻性,但是微网中分布式电源接口一般配置LC或LCL滤波器,且部分微源需要变压器进行升压。滤波器、变压器的存在和闭环控制技术使得微网线路阻抗一般呈现感性,另外微网中还可能存在其他旋转电机直接接口的微源,逆变器接口的微源采用有功功率/频率(P-f)、无功功率/电压(Q-U)型的下垂控制策略有助于更好地与旋转电机接口的微源实现负荷功率共享。由1.1节分析可知,容性逆变器同样是P-f、Q-U型的下垂控制(区别是倾斜方向不同),与微网现有的电源接口能够很好的融合,下垂控制方程可通过如图4所示结构左半部分实现,图4右半部分为电压电流控制环,在1.2节已经进行了详细建模。首先测量逆变型微源输出的电压和电流,计算输出的平均功率(通常包括低通滤波环节),输出平均功率与功率设定参考值比较后通过下垂控制器得到逆变器输出的角频率和电压幅值,本文测量功率与设定功率的加减关系决定下垂控制方程是适用于容性逆变器或感性逆变器,下垂系数可根据电力系统约束的频率电压波动范围选择。这样的控制方式可实现微网电源间功率分配并保证系统电压和频率在一定范围内稳定。容性逆变器对应的下垂控制方程为式中n为并联的逆变器编号,n=A、B…。由式(16)可得,实现不同容量逆变型微源按容量比例分担负荷需满足:从环流角度考虑,在包括不同额定容量微源的微网中,环流大小是衡量系统功率分配精度的重要指标。如果能按照额定容量比例k精确分配负荷功率,精确设定电压和频率参考点,则并联系统可稳定运行并同时抑制环流。由式(17)易得,容量比k为下垂系数比的倒数。定义式(18)、(19)为并联系统有功和无功环流表达式:由式(18)、(19)可得,如果通过控制器设计能使得逆变器等效阻抗满足ZA/ZB=1/k,同时输出电压幅值ZA=ZB、相位jA=uf06aB,便能较好地实现功率分配和环流抑制,抑制空载环流可通过设定相同的初始电压运行点来实现。进入稳态运行后,消除系统环流和实现功率精确分配需要两逆变器输出电压相等,即UA=UB,可得输出电压表达式:根据式(20)可得,当系统进入稳态运行,从消除电压偏差考虑,需要条件ZA/nA=ZB/nB成立。可知,从环流角度考虑和电压偏差两点考虑,使不同容量微网逆变器并联精确分配功率的条件是等效输出阻抗与容量成反比,并且此条件是并联运行的微源逆变器按容量分配负荷的充分条件。实际当中,由于P-f控制环积分环节的存在,相位条件即频率条件容易满足,系统进入稳定运行后频率会拉入同步,稳态运行时有以下条件成立:故有功功率仅需要设定下垂系数成比例即可满足按容量比例分担负荷有功,如果在此基础上设计等效输出阻抗成比例,则同时具备有功环流抑制能力。考虑无功功率分配,由于线路阻抗参数漂移和采集误差的因素,精确设计逆变器等效输出阻抗成比例是非常苛刻的条件。由式(20)可知,满足UA=UB是非常难的;当存在电压偏差的情况下,很难实现无功功率按比例分配,输出阻抗变化与无功功率分配精度存在较强的联系,需要解除等效输出阻抗与无功功率制衡关系从而实现按容量比分担负荷功率和消除环流。2.2等效连接点线路特性分析等效输出阻抗为容性时,微源输出有功和无功的表达式:由式(16)、(21)可得如图5中P-f/Q-U控制图。由图5可得逆变器有功功率和无功功率的表达式,如式(22)所示,并且与图4所示功率控制框图对应。式中:uf077*为参考频率,亦为空载频率;U*为设定参考电压,亦为空载运行点;uf077n为公共连接点母线频率;Uo为公共交流母线电压。分析式(22)可知:因积分项的存在,稳态时逆变器输出的有功功率与等效连接阻抗Xn无关,同时运行频率容易满足wA=uf077B,即使各逆变器等效输出阻抗不与容量成反比,通过下垂控制机制并联运行的逆变器输出的有功功率仍能实现精确功率分配(此时无法消除环流);稳态时无功功率输出则与等效连接阻抗相关,因其传递函数在整个频带范围内的增益都包括Xn,所以逆变器输出的无功功率随着等效输出阻抗的变化而变化,并且易受谐波注入和参数漂移的影响。由式(20)可知,等效输出阻抗的变化将使得逆变器输出电压产生偏差,即便设计等效输出阻抗与容量成反比,以这种下垂控制方式为基础的功率分配策略仍然鲁棒性较差(同时无法抑制环流),难以实现精确的无功功率分配。第2.1节和2.2节的分析方法分析同样适用于等效线路成近似阻性或呈感阻性混合情况功率分配规律,对应改变下垂控制方程形式即可。2.3积分控制器设计根据第2.1节分析,有功功率可实现精确比例分配的条件是传递函数部分具有积分环节1/s,使有功功率输出不受等效输出阻抗的影响。同理,对无功功率控制环节构造积分器1/s,得到新的有功功率和无功功率的表达式,如式(23)所示,其结构图如图6所示。添加积分控制器有利于提高系统稳态性能,实际上等效改变了输出阻抗Zn变为sZn。通过第1.2节的分析,电压电流环可方便地重新设计Zn,因而这种控制方式是可行的。通过控制器重新设计输出阻抗使得无功功率的分配不受输出阻抗变化的影响、具备强的鲁棒性,从而提高功率分配精度。经过重新设计的改进功率下垂控制环如图7所示,可知控制器具备数学上的对称性。从控制的角度看,稳态时,由于积分器的输入为0,则有即具备了无功输出比例鲁棒控制性能,同时由于引入U*-Uo反馈,使逆变器输出电压能够稳定在一定范围内,抵消了因负荷变动和下垂特性带来的电压波动,使功率控制器具备恒压恒频控制功能,在孤岛运行微网中仅有功率控制器便能实现恒压恒频控制。经验证,上述分析方法同样适用于感性逆变器和阻性逆变器以及混合特性情况,不再重复。3提高负荷功率变动时电压质量采用PSCAD仿真软件构造含7台微源逆变器仿真模型,其中逆变器1、3为传统下垂控制感性输出阻抗逆变器(L型),逆变器2为传统下垂控制容性输出阻抗逆变器(C型),逆变器4、5为改进下垂控制感性输出阻抗逆变器(L型),逆变器6、7为改进下垂控制容性输出阻抗逆变器(C型),分6个运行工况进行仿真对比,观察C型逆变器在参与配网电压调整中的效果。其中,输出滤波器电感为6mH,滤波电容为50mF,线路阻抗分别为0.5mH;逆变器直流侧接理想电源;负荷为恒阻抗负荷5uf057、5mH两组并联;仿真时间为5s,步长为100uf06ds;起初时仅给1组负荷供电,2s时增加1组负荷,两组负荷并联运行,3s时恢复1组负荷。逆变器功率下垂控制系数m取值为0.0002,n取值为0.0001,微网系统通过一段低压线路接到380V、50Hz配电网。1)工况1:两台传统下垂控制L型并联图8(a)、(b)为两台传统下垂控制L型逆变器1、3的输出功率和电压变化曲线,当负荷功率变动时(由单组负荷切换为两组并联),两台逆变器自动调整电压运行点以提供新的功率输出,PCC点电压跌落较大,由360V跌落至300V,恢复单组负荷供电后,电压回升至350V,PCC点本身电压水平不高,达不到期望的380V输出,体现传统下垂控制方法中电压偏差和功率输出的矛盾。2)工况2:一台传统下垂控制L型与一台传统下垂控制C型并联图8(c)、(d)为一台传统下垂控制L型逆变器1和一台传统下垂控制C型逆变器2并联输出功率和电压曲线,可见由于带有补偿器特性的C型逆变器引入,微网电压水平与工况1相比有较大改善,PCC点电压基本接近400V,但当负荷功率变动时,两台逆变器自动调整电压运行点进入新的稳定状态,仍有部分电压跌落。在实际应用中,可以通过计算、试凑等方法确定两台逆变器的运行点来保证补偿效果和电压值。3)工况3:两台改进下垂控制C型并联图8(e)、(f)为两台改进下垂控制C型逆变器6、7并联输出功率和电压曲线,可见由于带有补偿器特性的C型逆变器并加上改进功率控制器电压闭环的引入,当负荷功率变动时微网电压水平能够维持在380V,克服了传统下垂控制中功率输出与电压偏离的矛盾,并且在功率变动瞬时,电压也能维持稳定。4)工况4:两台改进下垂控制L型并联图8(g)、(h)为两台改进下垂控制L型逆变器4、5并联输出功率和电压曲线,可见由于改进功率控制器电压闭环的引入,当负荷功率变动时微网电压水平能够维持在380V,克服了传统下垂控制中功率输出与电压偏离的矛盾,但负荷切换时刻,电压波动较工况3中两台改进下垂控制C型逆变器并联情况要大。5)工况5:一台传统下垂控制L型与一台改进下垂控制C型并联图8(i)、(j)为一台传统下垂控制L型逆变器1和一台改进下垂控制C型逆变器7并联输出功率和电压曲线,可见与工况4相比,当负荷功率变动时刻,电压波动幅度较小,添加电压闭环的改进下垂控制器C型逆变器能有效支撑微网电压。6)工况6:一台改进下垂控制L型与一台改进下垂控制C型并联图8(k)、(l)为一台改进下垂控制L型逆变器4和一台改进下垂控制C型逆变器7并联输出功率和电压曲线,可见由于改进L型逆变器也带有电压闭环,同时由于具备补偿器特性的C型逆变器引入,微网电压波动更小,有效改善了微网功率变动时电压质量。利用DSK28335-I开发平台设计两台全桥逆变器,模拟线路阻抗为2mH,0.001uf057,直流侧电压为1kV。负荷为恒阻抗负荷。采用DPO3