【引入虚拟阻抗的低压微电网改进下垂控制策略分析6600字】

引入虚拟阻抗的低压微电网改进下垂控制策略分析目录TOC\o"1-3"\h\u16395引入虚拟阻抗的低压微电网改进下垂控制策略分析 1168501.1传统下垂控制的不足 183331.2虚拟阻抗控制方法 2202501.2.1虚拟阻抗的原理 2159791.2.2加入虚拟阻抗后的功率解耦 3117731.2.3加入虚拟阻抗后系统的输出特性 5233971.3虚拟阻抗的设计与实现方法 71911.4基于解决电压跌落的改进控制策略 9251351.1.1基于自适应参考电压的改进控制策略 9314451.1.2基于自适应虚拟阻抗的改进控制策略 111.1传统下垂控制的不足虽然传统下垂控制可以无需通信系统控制，仅通过使用本地系统的信息的方式进行控制，但是它依旧拥有许多缺陷，例如没有考虑到微电网发生危急的故障时，电压无法进行合理有效的恢复问题，无法确保系统输出的电能质量。同时也没有考虑微电源之间、负荷之间以及微电源与负荷之间、微电网主控单元与微电源和负荷之间的协同合作的问题，调节电压相对随意。在传统的下垂控制器中，可以通过改变系统的无功功率和有功功率的大小来控制系统输出三相交流电压向量，但是这种传统控制策略仅适用于一定的功率范围之内。系统的下垂控制方程式依据微电网中逆变器等效输出阻抗为纯感性、纯阻性或者阻感特性而随之改变，即对逆变器输出功率影响很大[1]。在孤岛型微电网中，由于线路阻抗存在差异等多种因素，特别是利用清洁能源发电的分布式电源所构成的微电网电压为中低等级电压，由于低压网络中电抗值的大小远远小于电阻值的大小会使该策略的性能受到影响，所以在这种情况下下垂控制不再适用[57-58]。传统下垂控制中系统稳定电压与额定电压相差较大，多个微电源并联运行时电源容量差异较大、线路阻抗特性复杂等影响，导致微电网系统无法合适分配无功功率和有功功率并且负载变化时系统无法快速响应。下垂系数的选取十分重要，下垂系数不仅影响有功功率和无功功率的合理分配，严重时会导致系统频率和电压与额定低电压和频率偏差过大。针对上述讨论传统微电网存在的弊端，目前主要通过以下两种处理办法，一种方法是选取合适的逆变器输出传递函数的闭环参数使其输出阻抗在50Hz处呈感性，不过该种手段存在系统参数选择不当，导致系统输出不稳定。另一种方法是通过测量采集获得微电网的输出电流，接着与加入的虚拟阻抗反馈值作积得出系统的负电压反馈，然后与加入电压外环电流内环的双环控制器的原始电压参考值作差产生新的电压外环电流内环的双环控制参考电压值，此种方法依靠加入虚拟阻抗来达到效果[59]。本文决定使用第二种方法，即采用加入虚拟阻抗的的改进下垂控制策略。下垂控制只有在电抗值X远大于电阻值R的条件下，无功功率才会受电压幅值的绝对控制。但是在低电压等级的微网中，即电阻值R比电抗值X大得多导致线路阻抗近似呈纯阻性，通过加入虚拟阻抗可以使得电抗值X远大于电阻值R，进而使有功-频率，无功-电压下垂控制适用于阻性线路。为使逆变器输出为纯感性，设定传统下垂控制参数时不仅要考虑到滤波器对系统输出参数的影响，还要考虑电压外环的比例积分控制和电流内环增益系数的影响。考虑到实现的复杂性，本文以选取虚拟阻抗作为研究对象，本文选择的固定阻值的虚拟阻抗为纯感性阻抗，即不考虑虚拟电阻值。1.2虚拟阻抗控制方法通过前面分析传统下垂控制策略在低压微电网中应用中存在的弊端，通过在系统中加入虚拟阻抗反馈环来对传统下垂控制策略进行改进。本章首先分析和介绍虚拟阻抗的基本原理和实现方法，并对加入虚拟阻抗后的功率解耦进行数学公式推导验证，并分析了引入虚拟阻抗前后系统输出特性发生的变化。1.2.1虚拟阻抗的原理为了使得微电网逆变器系统的总阻抗近似呈现纯感性，一般来说有两种方式能达到效果:一种是对电路硬件进行设计，在线路中添加阻值很大的电感。但是这种方法存在的非常大的劣势，这种解决办法人为地增加了运行成本，增大了逆变器的体积和能耗。另一种解决方法是从系统的灵活性和可控性的角度出发，不需要额外增加硬件设备，将逆变器总阻抗近似转变为纯感性[60]。在逆变器的控制系统中加入虚拟阻抗环的控制方式不是将实际的阻抗加到电路中，而是将采样得到的输出电流值与阻抗作积形成反馈环，使得在系统工频50Hz处逆变器的总阻抗变为感性。此种解决办法类于电路原理中的等效阻抗，因此称之为虚拟阻抗法[61]。虚拟阻抗方法通过测量采集获得微电网的输出电流，接着与加入的虚拟阻抗反馈值作积得出系统的负电压反馈，然后与加入电压外环电流内环的双环控制器的原始电压参考值作差产生新的电压外环电流内环的双环控制参考电压值，即利用微电源输出的电流与虚拟阻抗构成反馈来改变线路阻抗特性。在微电网系统中可以加入虚拟阻抗的方法使线路阻抗近似呈现纯感特性，从而使有功功率和无功功率可以单独控制达到完全解耦效果。在微电网系统中加入虚拟阻抗模块之后，微电源的等效阻抗特性受加入虚拟阻抗值大小的影响，如果加入合理大小的虚拟阻抗会使系统的有功功率和无功功率单独控制，而且影响着传统下垂控制策略是否适用[62-64]。虚拟阻抗法的原理为:从微电网系统中测量输出逆变器输出电流，将采样得到的电感电流与一个增益系数(虚拟阻抗值)相乘形成反馈回路，从而得到由虚拟阻抗得到的反馈信号，然后经过传统下垂计算环节得出系统输出的电压参考值，电压参考值与逆变器加入虚拟阻抗导致的电压降作差得到新的电压参考值，最后将该新得到的电压参考值输入给电压外环比例积分控制得到系统参考电流值，将系统参考电流值作为输入经电流内环比例控制得到逆变器控制调制信号，调制信号对接口逆变器进行SPWM控制[65]。图1.2.1虚拟阻抗原理图由图1.2.1可得，考虑虚拟阻抗环后生成新的电压电流控制环的参考输入电压为：（1.2.1）虚拟阻抗等效电路如图1.2.1所示，需要知道的是，在引入虚拟阻抗之后，微电源的指令电压不是，而是。1.2.2加入虚拟阻抗后的功率解耦由于加入虚拟阻抗以后线路阻抗整体上近似呈纯感性，满足了传统下垂控制中的有功功率与无功功率的独立控制的条件，此时传统下垂控制的微电源对于B点输出的有功功率和无功功率已经不存在耦合关系。但是我们要控制的是A点的有功功率和无功功率，系统参考电压是微电网系统中直接控制的量，所以我们需要研究系统B点电压幅值和频率和A点有功功率和无功功率是否存在耦合关系。以下进行分析引入虚拟阻抗的过程。图1.2.2虚拟阻抗等效过程图如图1.2.2所示，在引入虚拟阻抗之前，微电源在低压微电网中通过阻感性的线路阻抗与负荷相连。在引入虚拟阻抗之后，本文用一个容量为S=P+jQ的虚拟发电机和虚拟阻抗来代替实际微电源，并且仍然连接在A点。如果虚拟阻抗中的虚拟电感足够大使得逆变器等效阻抗近似呈纯感性，那么我们可以将传统下垂控制策略应用到虚拟发电机，从而实现和的解耦[66-71]。综合上面的讨论，我们将进行数学公式推导和证明。一、有功功率解耦对于低压微电网，我们引入的虚拟阻抗通常只取虚拟电感，而虚拟电阻为零，即满足，显然在系统中电抗仅产生无功功率不消耗有功功率，因此在虚拟阻抗上消耗的功率为零，即。由此可见，B点可以实现有功功率的解耦控制。二、无功功率解耦对于阻抗，有，，我们将其带入公式进行变形，可得:（1.2.2）对于B点：，那么由式(5-2)，结合图4-2，我们可得A点无功功率为:（1.2.3）式中相角为B点电压和微电网母线电压之间相角差，一般足够小，我们将，代入式(3-3)，可得：（1.2.4）由式(1.2.4)可知，我们可以通过调节实现A点无功功率的解耦控制。综上所述，我们可以通过控制虚拟发电机的B点对A点实施有功功率P和无功功率Q的下垂控制，因为这两点不存在耦合关系。关于频率方面的控制，微电网作为一个整体系统中各处频率均相等，我们可以直接控制微电源的输出频率来控制系统的频率。对于电压方面的控制，我们可以通过调节微电源功率下垂控制器中的输出电压来跟踪A点电压，这样等于间接达到了对虚拟发电机端电压控制的效果。1.2.3加入虚拟阻抗后系统的输出特性与传统下垂控制作比较，加入虚拟阻抗后的下垂控制模块中增加了虚拟阻抗反馈控制环。由前面介绍的虚拟阻抗原理可得，在加入虚拟阻抗后产生新电压参考值变成，将其表达式代入式可得：（1.2.5）由上式可以得知，加入虚拟阻抗控制反馈环后，为逆变器新等效输出阻抗，为新电压比例增益传递函数，其中则（1.2.6）根据式(1.2.5)和式(1.2.6），可以推出:（1.2.7）（1.2.8）式(1.2.7)为系统中加入虚拟阻抗反馈环后逆变器等效输出阻抗，式(1.2.8)为系统中加入虚拟阻抗反馈环后逆变器电压比例增益，图1.2.3为加入虚拟阻抗控制环后逆变器电压比例增益的伯德图，图1.2.4为加入虚拟阻抗控制环后逆变器等效输出阻抗的伯德图，其中取4mH，其它参数不变。图1.2.3加入虚拟阻抗后幅频特性曲线图1.2.4加入虚拟阻抗后幅频特性曲线传统下垂控制下的幅频特性曲线的表达式和在加入虚拟阻抗后幅频特性曲线的表达式没有发生变化，所以幅频特性曲线也不会发生变化。从图1.2.4可以看出，逆变器输出特性阻抗在50HZ处相角近似为900，即系统近似呈纯感性。此时传统下垂控制方法可以适用，逆变器输出的有功功率和无功功率可以独立控制，而且在50HZ处，逆变器的输出阻抗增益比较大，加入虚拟阻抗之后可以灵活调节系统控制参数，逆变器输出阻抗受其影响程度会大大减小[72]。1.3虚拟阻抗的设计与实现方法针对前面提出的基于虚拟阻抗环反馈的原理，本节用公式推导具体的虚拟阻抗环节公式和设计方法，通过不同方法之间的对比差异，最终确定在坐标系下实现设计，在坐标系下虚拟阻抗的数学模型为:（1.3.1）式中，为在本文中固定虚拟阻抗的虚拟电感值，、、为逆变器中下垂控制合成的三相参考电压值，、为经过下垂控制和虚拟阻抗环节后合成的新的三相参考电压值。由上式可知，虚拟阻抗的实现需要对电流进行微分，微分项易引起电流的高频扰动。因此有部分学者针对输出电流中存在高次谐波，会使得系统的稳定性变差提出在电流后面加入一个低通滤波器来过滤高次谐波，但是随之带来的是加入滤波器造成延迟及相移的问题，对系统的动态性能产生不利影响，同时可能会使得加入到逆变器中的虚拟阻抗的值与所设定值产生偏差，不利于系统的无功功率合理分配[73]。由于在本文中，逆变器的控制结构都是在坐标系下实现的，因此，可以采用同样的方式，将虚拟阻抗环节也在坐标系下实现。所以，对式(5-9)进行变换得:（1.3.2）逆变器的输出端电流在坐标系下的表达式为：（1.3.3）将式（1.3.3）代入到式（1.3.2）中，可以得到：（1.3.4）对式（5.3.2）进行转换，可以得到在坐标系下虚拟阻抗实现的公式方程为：（1.3.5）式（1.3.5）推导出了坐标系下虚拟阻抗的表达式，虚拟阻抗的实现方法需要在解耦变换完成后在dq坐标系下的两个线路电流值，的基础上分别与虚拟电感值作积，接着根据上式获得新参考电压值，最后给逆变器的电压外环电流内环的双闭环控制作为输入。图1.3.1虚拟阻抗控制模块图由此可以搭建逆变器中的虚拟阻抗反馈环：在坐标下将逆变器输出的电流值与虚拟电抗作积，得到虚拟阻抗在坐标系下产生的电压反馈，然后与下垂控制环节产生的参考电压经过公式方程计算得到新参考电压值，传入到电压电流双环控制器中。如图1.3.2是加入虚拟阻抗反馈的改进下垂控制逆变器框图。图1.3.2三相逆变器输出控制框图1.4基于解决电压跌落的改进控制策略虽然虚拟阻抗的取值范围有比较大的区域空间来调节，但是当虚拟阻抗取值过大时，随之而来出现电压跌落较大的问题，极大地影响了供电电压质量，为了进一步能确定虚拟电感值的选取，需要综合考虑加入虚拟阻抗而带来的电压降落的影响。1.1.1基于自适应参考电压的改进控制策略根据上一节虚拟阻抗的控制原理，建立了如图1.1.1所示的虚拟阻抗压降相量图，在引入虚拟阻抗后系统整体对外呈纯感性，则虚拟阻抗近似为，由本文中设计的逆变器闭环传递函数可知，系统稳定运行以后，逆变器端口电压完全跟踪给定电压值，此时有。图1.1.1虚拟阻抗上的压降相量图图1.1.1中，为经过下垂控制公式计算出的电压参考值，为输入电压外环电流内环双环控制的电压参考值，为虚拟阻抗上的电压降落。由于输出电压与参考电压之间的相角差一般较小，根据电路中的相量图分解法，通过进行相量分解运算，纵分量与呈水平状态，横分量与呈垂直状态。可近似认为虚拟阻抗上的电压降落等于其纵坐标轴分量[74]，因此可得虚拟阻抗上产生的电压跌落为:（1.1.1）从下垂控制原理和逆变器双闭环设计原则的角度出发，并结合式（3-9），得到考虑虚拟阻抗压降后逆变器的电压下垂曲线可重新表示为:（1.1.2）经过上式的分析，由于加入了虚拟阻抗，当微电网稳定运行时，下垂特性与原先的下垂曲线相类似，而且相比于传统的下垂特性曲线，曲线斜率增大，由原本值变为，同时斜率增量的大小与虚拟阻抗成正比，此时电压下垂方程的斜率变大，易造成逆变器输出电压的跌落，并且取值越大，电压偏移越大，不易于系统运行的稳定。孤岛模式运行情况下，引入虚拟阻抗后会使微电源输出端电压降落，供电电压质量无法保证。可知虚拟阻抗控制策略具有明显的优势和劣势，优势是加入虚拟阻抗有效达到解耦效果，而且不会造成系统能耗过大的问题，劣势是加入虚拟阻抗导致系统电压跌落，系统供电质量下降。因此，虚拟电感值的选取需要综合考虑各种因素的影响：一般来说选取的虚拟阻抗的值越大，线路阻抗阻性成分的影响会越小，传统下垂控制和功率解耦控制更加适用；但是如果取的太大，又会影响到系统的电压质量，影响系统的稳定性。因此加入的虚拟阻抗值的大小应综合考虑功率解耦控制和电压跌落的矛盾关系。图1.1.2设置虚拟阻抗前后下垂曲线图图1.1.2中，加入虚拟阻抗前，下垂曲线为曲线1，微电网系统中加入了纯感性虚拟阻抗后会在虚拟阻抗上产生电压跌落，加入虚拟阻抗后的下垂曲线位于原来曲线的下方，即系统中加入虚拟阻抗后，下垂曲线为曲线2，电压与的差表示加入虚拟阻抗系统产生的电压降落。当虚拟阻抗的取值较大时，的值变得非常大，微电网系统的稳定性变差，为了保证微电源并网逆变器能输出稳定的电压，需要补偿虚拟阻抗上的电压降落，可以将参考电压增加到+，此时经虚拟阻抗反馈后的参考电压变为:（1.1.3）由式（1.1.3）可知，将参考电压增到+，可以补偿虚拟阻抗上的电压降落，解决了微电网下垂控制时加入虚拟阻抗带来的电压大幅降落的问题。图1.1.3加入电压补偿后，系统的控制框图1.1.2基于自适应虚拟阻抗的改进控制策略加入虚拟阻抗的目的是使系统满足电压控制的解耦条件，进而对电压进行合理的下垂控制。然而矛盾的是在加入虚拟阻抗之后系统会产生较大的压降，而且电压降随着负荷的增大而增大，这对引入虚拟阻抗改善电压带来了挑战。本文在使系统满足电压控制的解耦条件下对引入虚拟阻抗的压降进行控制，提出了基于负荷电流自适应阻抗的电压控制，自适应虚拟阻抗的选取是这种电压控制的核心，起着举足轻重的地位。自适应虚拟阻抗中包含引入常虚拟阻抗项（＞0），常虚拟阻抗项的引入保证了电压控制的解耦条件。由于引入固定虚拟阻抗产生的压降是与负荷电流成正相关，考虑引入变系数阻抗项，且该系数与负荷电流成反比。取，可知加入自适应虚拟阻抗的压降为：