微电网并网逆变器逆向功率抑制策略研究_武文成.pdf

微电网并网逆变器逆向功率抑制策略研究武文成，杨海兰（甘肃送变电工程有限公司，甘肃 兰州 ；甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 ）摘要：针对微电网并网逆变器并网过程中，逆变器与大电网之间的阻抗关系导致的微电网并网功率逆向传输使得微电网直流侧电压升高的问题，采用自适应虚拟阻抗与变增益功率下垂控制相结合的控制策略对微电网逆向功率进行抑制，使得微电网直流侧电压保持稳定，并通过 进行了相关仿真验证，仿真结果与理论分析一致，验证了控制策略的有效性。关键词：并网逆变器；逆向功率；虚拟阻抗；下垂控制中图分类号：，（，；，）：，：；基金项目：年国家级大学生创新创业训练计划项目“基于人工 智 能 的 武 威 农 村 地 区 电 力 负 荷 预 测 研 究”（编 号 ）；武 威 市 年 度 市 列 科 技 计 划 项 目（编 号 ）收稿日期：作者简介：武文成（），硕士研究生，研究方向为电力系统负荷预测、微电网；杨海兰（），硕士研究生，研究方向为新能源、微电网、负荷预测。引言随着化石能源的过度开采利用，全球能源危机愈加剧烈，大力推进新能源的开发利用是缓解当前能源危机的重要举措。利用新能源最直接有效的方式是新能源发电，构建大型新能源电力系统。然而大型新能源电力系统存在固有的缺陷 系统调峰能力差与系统新能源消纳能力不足。新能源发电另外一种利用方式是以微电网形式接入。微电网作为一种完全自治的集发、输、配、用电于一体的系统，具有便于新能源就地消纳、灵活接入、易于控制等优点，是推进新能源发展的另外一种有效的方案，因此关于微电网的并网研究一直备受众多学者关注。而微电网在并网过程中会由于线路阻抗关系使得逆变侧电压相位滞后于电网侧电压相位，将造成逆变器侧的有功功率逆向流动，该过程将直接导致直流侧电容电压上升，易导致设备损坏。目前，针对微电源并网逆向功率问题，已有相关文献展开研究。文献 以船舶岸电并网为例，当岸侧电源逆变后接入船舶电网时，由于两侧电压相位不同步，船侧有功功率将流向岸侧逆变器，导致岸侧逆变器直流侧电压升高，因此采用调频控制策略实现对逆向功率的抑制；文献 研究了岸电并网时采用多过程分段控制的并网方式，即将并网过程分阶段采用不同的控制策略，以此来抑制并网时相位差造成的逆向功率；文献针对岸电并网提出一种基于虚拟同步发电机的岸电并网控制策略研究，通过模拟实际大电网中的发电机惯量特性，构造虚拟转动惯量，通过、下垂特性，采用下垂控制方式提高并网稳定性，同时抑制逆向功率；文献 针对微电网并网稳定性问题，提出了一种改变下垂控制系数的二次调频策略；文献 针对船舶岸电微电网并网采用多过程分析，根据不同工作状态采取不同控制策略，以此来减小多电源并网时相互之间的冲击；文献针对微电网并离网无缝切换问题，提出了并网前后采用工频电流控制策略向恒功率控制切换，确保并离网不影响整个系统的稳定性；文献 针对交直流微电网并网孤岛运行，通过对储能电池进行状态划分，控制储能新能源系统与设备电工技术电池的工作状态进而实现并离网过程中暂态能量的缓冲，减小微电网并网过程中的暂态冲击。文献 针对微电网并网的储能变流器由恒压、恒频向恒功率切换，通过微电网中央控制器和模式控制器的配合尽量减小模式切换过程中功率不匹配带来的冲击；文献 针对并离网双模式运行的微电网并网逆变器，提出了一种基于前馈控制的双模式逆变器无缝切换控制方法，实现了整个并离网过程的平稳切换。文献 为解决分布式发电系统中不同微电源逆变器控制策略的差异以及相互之间切换的问题，提出了一种基于虚拟同步发电机的微电网并网孤岛运行模式之间的无缝切换控制策略。文献 针对微电网运行过程中出现的逆功率现象采用了全软件方式的智能化逆功率抑制方案。针对微电网并网过程中逆变器与大电网之间的线路阻抗关系使得大电网侧的电压相位超前于微电网逆变侧电压，进而导致大电网侧的功率向逆变器侧传输产生逆功率现象，引起逆变器直流侧电压升高，易造成逆变器直流侧器件烧毁，本文提出一种大电网与微电网之间无通信方式的微电网并网逆变器逆向功率抑制策略。根据实际运行微电网模型，建立其小信号模型，并根据线路中平均电流流向，检测逆向功率。通过可变虚拟阻抗与下垂控制方式相结合的逆向功率抑制策略，可实现在不改变整个微电网系统结构的前提下，在形式上改变线路阻抗关系，进而实现逆向功率抑制。微电网并网逆变器控制 并网逆变器逆功率建模微电网系统等效电路如图所示，其中 为微电网系统的阻抗，为大电网系统的等效阻 抗，为微电网侧电压，为电网侧电压。由于上述阻抗关系，两侧电压存在相角差，使得电网侧功率流向微电网电源侧。图微电网并网模型电网侧流向微电网电源侧的功率为：（）（）（）（）（）此时，系统参数为，则可得岸电电源阻抗为：（）（）同理，根据图可知当柴油机发电机内电阻、线路电阻、内电抗、线路电抗均已知时电网侧阻抗为：（）（）当，值较小时，式（）、式（）关系可简化为式（）关系，由式（）可知，此时有功功率主要取决于两侧电压相角差值，无功功率取决于两侧电压幅值差，下垂关系为、；反之，当系统呈现阻性时，式（）、式（）关系可化简为式（）关系，此时下垂关系变为、。而对于整个系统而言，频率为一个全局变量，因此可实现无功功率的均衡。对于有功功率而言，若两侧电压差值较大，则会产生功率逆流现象。（）（）逆功率抑制策略微电网侧逆变器采用电压电流双环控制策略，如图所示。正常情况下，输出应等于给定 ，两者差值应为零，此时 调节器输出为一固定值，且 输出值即为电流给定值 、，当电网侧电源并入岸电系统后，通过 坐标变换后，轴分量不为零，如图所示，若并网后两侧电压相角差较小，、，则此时理论上不会产生功率逆向流动。图电压电流双环控制策略两侧电压相角差较大时，、，由于此时轴给定值仍为 ，而实际，因此 （）（其中，为并网后相电压的幅值，为并网前相电压的幅值），即此时实际电压的幅值大于给定值，那么通过 坐标变换后 ，则此时 ，进而导致 ，由有功功率计算式.可知，此时，功率逆流。图 并网前后坐标变换由电力系统的电阻、电抗关系可知，当时，系统不考虑电阻有功功率、无功功率满足式（）关系，此时系统有功功率取决于相角差，无功功率取决于电压差，因此对于逆变器而言，只要存在滞后的相角差就会产生逆向功率。为此，考虑加入自适应虚拟阻抗的方式，如图电工技术新能源系统与设备 所示，系统中串入虚拟阻抗，其中为虚拟电阻，为虚拟电抗。引入虚拟阻抗的目的在于使系统整体呈现“阻性”，虚拟负电抗是为了抵消线路中电抗效应，使得系统进一步呈现阻性，此时系统有功、无功下垂特性变为、，有功功率取决于与的幅值差，无功功率取决于两侧相角差。图 引入虚拟阻抗系统等效电路通过坐标变换的方式将逆变器三相 交 流 量、，、转换为直流量（电压采用输出端电容电压、，电流选用输出端电感电流、）。为实现柴油发电机与岸电系统有功功率的精确分配，控制策略采用传统下垂控制方式，有功功率、无功功率均使用逆变器输出的实时功率（未并网时逆变器输出的有功功率、无功功率非常小，可看作是零），将轴电压置零，此时电压分量全部落在轴，具体的对应关系为：（）式中，、为未加虚拟阻抗时通过功率下垂方式计算出的 轴电压分量参考值；、分别为实测的逆变器输出有功、无功功率；为有功下垂系数。引入虚拟阻抗后 轴电压给定值满足关系：（）式中，、为引入虚拟阻抗后的 轴电压参考值；、为引入虚拟阻抗后 轴的电压降落。（）式中，为虚拟电阻函数，；为虚拟电抗函数，如图所示。（）虚拟电阻（）虚拟电抗图虚拟阻抗、为比例系数，为引入最大虚拟电阻值，为引入最大虚拟负电抗值。根据的值来确定、的值，根据引入虚拟电抗后系统稳定边界条件来确定、的取值范围，具体控制策略如图所示。图 引入虚拟阻抗基本控制策略图中的有功功率和无功功率瞬时值计算式为：（）（）（）为了减小谐波的影响，需加入低通滤波器得到更稳定的功率值，因此为一阶低通滤波器的截止频率，在此取 。对于图中所示的控制策略，电压的参考值为：（）具体控制结构框图如图所示，通过闭环加入虚拟阻抗环节，根据式（）（），可以分别调节轴与轴的电流，进而实现对有功功率与无功功率的独立控制。根据检测到的有功功率与无功功率的正负，设置自适应模式的下垂系数，可以柔性地改变串联接入的虚拟阻抗大小。逆向功率电流越大，整个系统呈现的感性越明显，且始终满足微电源侧相位超前于大电网侧，实现对逆向功率的柔性抑制。图 引入虚拟阻抗控制策略框图仿真结果分析为了验证本文控制策略的有效性，设计了相关的仿真模型。该模型中，直流侧电压为 ，电网侧电压为 ，交流电频率为 ，通过三相逆变电路实现逆变并网，模拟大电网接 负载，此时微电网接入为 负载供电。仿真的基本目的是验证当微电源侧逆变器以滞后相角并入大电网时，通过检测到逆向功率使得直流侧电压升高时，在串联接入虚拟电阻和未串联接入虚拟电阻两种情况下，分别观察直流侧电压的变化情况，以及以逆变器输出有功功率的正负作为另一项判断标准，即当逆向功率产生时逆变器侧输出有功功率为负值，反之无逆向功率时逆变器侧输出有功功率为正值。在该仿真模型中并 网，设 定 并 网 逆 变 器 以 滞 后 相 角 并 入，滞 后 相 角新能源系统与设备电工技术为 。在未施加自适应虚拟电阻时，系统设定 处并网，并网后逆变器输出的交流电压波形如图所示，微电源侧电压处于滞后。由于逆功率的原因，直流侧电压由额定值 开始增加，最终稳定在 ，如图所示。由于直流侧的电压上升使得逆变侧的输出交流线电压幅值远高于电网侧线电压的幅值，且由于存在逆向功率，因此逆变器输出有功功率为负值，如图 所示。此时，逆变器直流侧电流如图 所示，对于实际系统而言，将发生烧毁器件等极为严重的事故。图 并网后逆变器输出的交流电压波形图逆变器直流侧电压图 逆变器输出有功功率图 逆变器直流侧电流通过采用本文提出的自适应虚拟阻抗与自适应下垂控制相结合的控制策略，根据直流侧电压的变化情况实时从形式上调整整个微电网系统的阻抗关系，使得整个系统呈现阻性，再利用的下垂关系，可以实现通过电压的控制输出有功功率，因此在控制结构上，无需采用额外的功率环，只需要电压外环与电流内环，将输出电压控制稳定时，便可实现对输出功率的控制，在微电网并网和孤岛运行时，无需额外的控制策略切换，提高了整个系统控制的灵活性。采用本文所提控制策略后，逆变器输出的电压波形如图 所示，串联接入的虚拟阻抗并未改变两者的相位关系，电网侧相位依旧超前于逆变器侧相位，但此时直流侧电压始终维持在额定电压 （直流侧电压仿真曲线如图 所示），电流曲线稳态下为正值，因此系统并未出现逆向流动问题（如图 所示）。有功功率曲线如图 所示，此时有功功率也为正值，由此可知系统的逆向功率问题得到了有效抑制，此时逆变器输出的线电压幅值与电网侧电压的幅值差非常小，在允许的幅值误差范围内，并未出现较大的幅值差，且逆变器输出电压相角与电网侧标准电压相角之差与未采用控制策略相比有明显的减小，改善了整个微电网逆变器电压波形质量。图 逆变器输出的电压波形图 直流侧电压仿真曲线图 逆变器直流侧电流图 逆变器输出有功功率上述两组仿真曲线通过对比的方式验证了本文所提控制策略的有效性。结语为了解决微电网逆变器在并网过程中由于微电源侧电压相角滞后于电网侧相角而导致的功率逆向流动的有效抑制问题，本文充分利用自适应虚拟电阻与自适应下垂控制相结合的控制策略，在形式上对微电源与大电网之间的线路阻抗进行改变，检测到逆向功率时可以实现对其有效抑制。通过对上述控制策略的仿真验证，得到以下结论。（）微电网并网逆变器在并网过程中，如果微电源侧的电压相角滞后于电网侧，就会使电网侧有功功率流向逆变器侧，导致逆变器直流侧电压升高，因此微电网并网逆电工技术新能源系统与设备 变器逆向功率产生的根本原因在于微电网侧与大电网侧的线路阻抗关系。（）通过采用虚拟阻抗改变线路呈现阻性或感性的状态，本质是改变整个微电源与电网侧的相位关系，通过调整两者的相位关系，进而可以通过检测直流侧电压变化实现自适应调节，即在不影响系统整体功率因数的前提下实现逆向功率的抑制，该项技术有助于拓宽微电网并网时的相位条件即降低了微电源并网难度。（）对于并网型微电网逆变器而言，仅通过检同期装置实现并网，在控制灵活性上具有一定的局限性，需要在孤岛和并网两种控制策略进行切换，而该过程需要准确了解网侧负荷信息，实施难度较大，因此难以实现系统完全自治运行。（）本文将微电网侧等效为一个稳定的电源，而实际运行中，电网侧需要考虑多机并联运行时的稳定性问题，各个微电源需要根据自身出力设置合理的下垂系数，因此后续研究应考虑如何在微电源侧多机并联运行时实现逆向功率的抑制。综上所述，本文提出的基于自适应虚拟阻抗抑制逆功率的控制策略，不仅可以在形式上改变微电网的连接阻抗关系，而且可以对微电网并网时的逆向功率进行有效抑制。该控制策略不仅可以应用于微电网并网，还可应用于船舶岸电微电网系统的逆功率抑制，为后续微电网系统并网稳定性研究提供理论指导。参考文献 王绪宝，金庆才，鲁俊，等 岸电变频电源和无缝切换技术港口科技，（）：，盛晓东，王宇，谢晔源岸电系统并车方法及控制策略研究 电气应用，（）：唐海娣，朱祥兵，魏海峰，等 岸基变频电源系统关键技术 齐鲁工业大学学报，（）：曹亮，房鑫炎，罗文斌船岸一体化系统中岸电无缝接入与功率优化方法电力自动化设备，（）：陈枫，应鸿，徐鲲鹏，等 船舶岸电电源多机并联的并网无缝切换技术的研究 电气工程学报，（）：，（），周虹伯 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