多光伏逆变器微电网自主运行控制及稳定性分析_陆多多.pdf

13 电工电气电工电气 (2023 No.3)作者简介：陆多多(1994)，女，本科，从事电力电子设备、建筑电气等研究工作；许剑波(1994)，男，助理工程师，硕士，从事电力电子设备控制等研究工作。陆多多，许剑波(常州高铁新城投资建设发展有限公司，江苏 常州 213000)摘 要：为了提高以多光伏逆变器为基础的微电网的稳定性，提出了一种建筑设备光伏微电网建模方法。以典型微电网拓扑结构为算例，对特征值频谱进行分析，总结了影响系统低、中、高频振荡的特征根，研究了变参数下系统根轨迹变化情况，并用 MATLAB/Simulink 软件进行了时域特性仿真，仿真结果与理论分析结果具有高度一致性。关键词：光伏逆变器；微电网；稳定性分析；建筑设备中图分类号：TM464；TM615 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2023)03-0013-07 Abstract:In order to improve the stability of microgrid based on multi PV inverters,a modeling method of photovoltaic microgrid for construction equipment is proposed.The paper,taking the typical microgrid topology as an example,makes analysis of eigenvalue spectrum.The characteristic roots affecting the low,medium,and high frequency oscillations of the system are summarized and the system root trajec-tory change under variable parameters is analyzed.After making time domain simulation through MATLAB/Simulink,it is found that the simulation results are highly consistent with the theoretical analysis results.Key words:photovoltaic inverter;microgrid;stability analysis;construction equipmentLU Duo-duo,XU Jian-bo（Changzhou High-Speed Railway Town Co.,Ltd,Changzhou 213000,China）Autonomous Operation Control and Stability Analysis of Multi Photovoltaic Inverter Microgrid多光伏逆变器微电网自主运行控制及稳定性分析0 引言随着我国经济发展和科技进步，人们对电能的需求日益增长，同时传统能源短缺和环境污染等矛盾不断激化，为实现我国电力系统的可持续发展，控制传统化石能源总量，以新能源为主体的分布式发电系统的研究受到了越来越多的关注。随着分布式发电比例不断增加，新能源具有分散性和间歇性，对大电网的稳定性造成了严重影响1-2。因此，有学者提出了微电网的概念，集成了新能源发电单元、储能单元、当地负荷及公共电网的微电网能够使断续性的新能源以最小影响接入电网3，使系统更安全、可靠、高效和灵活。此外，太阳能以其易得性、无限获得性及无污染性等成为我国起步较早、发展较快的新能源，为实现“碳中和、碳达峰”的目标，国家鼓励在中东部地区建设与建筑结合的分布式光伏发电系统4-5。将光伏发电应用于大型商用建筑或居民区可有效削减建筑用电，发电入网便捷，在夏季用电高峰期能够给予公共电网以支持。许多新建的大型环保建筑都装设大规模光伏发电系统6-7，通常采用多光伏发电设备接入公共点，构成光伏逆变微电网系统。因此，微电网采用的控制方法需要根据负荷需求在多个光伏逆变单元之间进行合理的功率分配。下垂控制策略通过模拟传统电力系统中同步发电机组“功频静特性”，实现系统频率电压控制、功率均分等目的，具有无互联通信控制、即插即用等优势，因此在微电网自主运行模式下得到了广泛应用8-11。然而，下垂控制忽略了同步发电机大惯性及大输出阻抗特性，使得系统惯性缺失加剧，具有低输出阻抗等特性，且易受扰失稳产生振荡。同时，相比传统电网，基于光伏逆变器的微电网系统稳定性较弱，为了保证其可靠运行，小扰动稳定性研究不可缺少。多光伏逆变器微电网自主运行控制及稳定性分析14电工电气电工电气 (2023 No.3)本文以光伏建筑为背景，研究多光伏逆变器微电网系统，采用无互联通信外环功率下垂控制和内环电压电流前馈解耦双闭环控制结合的策略，在仿真中实现不同工况下系统自主运行控制，均能够快速响应负荷需求，合理分配功率。同时，为保证系统稳定运行，利用特征值法对下垂控制引起系统稳定性影响进行分析，其结果与仿真分析一致。1 多光伏逆变器微电网的结构多个光伏发电设备通过电压源型逆变器接入交流母线，与储能设备一起为各类型负荷包括住宅负荷、建筑供电等提供电能，构成了光伏逆变器微电网系统，其结构如图 1 所示。它具有灵活独立等特性，可以在两种工作模式之间切换运行，既可以在夜间电能较低时并入大电网，也可以在晴朗的日间独立运行。因此，在复杂工况下能够灵活切换运行模式以保证供电质量，同时，有效利用光伏能源，在夏日能够减轻供电紧张问题。2 单一分布式逆变器的系统结构基于光伏逆变器微电网系统通常采用三相电压源型逆变器接口，在系统处于自主独立运行时，采用下垂外环控制和双闭环电压电流内环控制以支撑系统母线电压和频率，相当于电压源。由下垂控制确定系统所需的参考指令，通过电压电流控制有效跟踪给定参考指令，由此实现功率共享和稳定运行。本文采用的光伏逆变器微电网系统的详细拓扑结构和控制如图 2 所示，其中，ilabc为逆变器的 abc 三相输出电流，ioabc和uoabc为 abc 三相控制输出电流和电压，Vref为下垂控制输出给定电压参考值，ubabc为 abc 三相公共耦合点的电压，uinv,abc为逆变器 abc 三相输出电压，Lf和Rf为逆变器侧电感和电阻，Lc和Rc为网侧电感和电阻，Cf为滤波电容，iodq为dq坐标系下控制输出电流，uodq为dq坐标系下控制输出电压，i1dq为dq坐标系下逆变器输出电流，odq是经下垂控制计算后得出的用于坐标变换的角速度。2.1 功率下垂控制下垂控制策略广泛应用于微电网逆变器中，可使各个逆变器之间无需任何通信设备联系，即可实现“即插即用”的功能。按照传输线路阻抗类型的不同，下垂控制策略可以分为不同的控制形式12：当线路传输阻抗呈感性时，下垂控制采用P-/(P-f)和Q-U的形式；当线路传输阻抗呈阻性时，下垂控制采用P-U和Q-(-)的形式；当线路传输阻抗呈容性时，下垂控制采用P-(-)和Q-(-U)的形式。本文研究最常见的感性线路传输阻抗，即P-和Q-U形式的下垂控制策略，其控制框图如图 3 所示。图 3 中GLP(s)为一阶低通滤波器的传递函数，滤除采样信号中的噪音，为该逆变器的电角度，单位为 rad。有功功率P和无功功率Q独立解耦，有功功率P受角频率控制，而无功功率Q受电压幅值U控制，下垂控制方程如下：式中：和0分别为逆变器的输出角频率和额定角频率；P和P0分别为逆变器的输出有功功率图1 新型节能建筑微电网结构示意图微电网交流母线逆变器1逆变器2逆变器3储能负荷逆变器1逆变器2逆变器3储能负荷建筑1建筑2建筑n图2 光伏逆变器微电网系统拓扑及控制框图(1)i=0-mpi(Pi-P0i)U*i=U0-nqi(Qi-Q0i)RcRfLcLfRcRfLcLfRcRfLcLf微电网母线ubabcuoabcuinv,abcioabci1abci1dqabcdqCfCfCfPWM调制电压电流双闭环控制下垂控制VrefuodqodqiodqCR图3 功率下垂控制结构框图GLP(s)+-P0i0pimpi1/sGLP(s)+-Q0iU0Ui*qinqiUUdquodrefiuoqrefiPiQii多光伏逆变器微电网自主运行控制及稳定性分析15 电工电气电工电气 (2023 No.3)和额定有功功率；U*和U0分别为逆变器的输出电压幅值和额定电压幅值；Q和Q0分别为逆变器的输出无功功率和额定无功功率；mp和nq分别为有功功率和无功功率的下垂参数；下标i为逆变器的编号。通过逆变器输出电压和电流可得到逆变器的瞬时功率值，然而瞬时功率中存在大量高频信号的干扰，需采用低通滤波器加以抑制。逆变器瞬时有功功率及其滤波后的有功功率表达式如下：式中：pi和Pi分别为第i个逆变器计算得到的瞬时有功功率和滤波后的有功功率；qi和Qi分别为第i个逆变器计算得到的瞬时无功功率和滤波后的无功功率；c为低通滤波器的截止角频率。2.2 电压电流双闭环控制器电压电流双闭环控制框图如图 4 所示。电压环和电流环均采用比例积分调节，同时电压环引入输出电流io作为前馈，抑制负荷波动对输出电压的影响，提高系统的动态响应性能。其中F为前馈系数，u*inv为逆变器输出给定电压指令，电压电流双闭环的控制表达式如下：式中：uodref、uoqref分别为d轴和q轴的控制电压给定值；i1dref、i1qref分别为d轴和q轴的电压环控制器输出值；u*invd、u*invq分别为d轴和q轴的电流环控制器输出值；kvp和kvi为电压控制器的比例参数和积分参数；kcp和kci为电流控制器的比例参数和积分参数；为当前逆变器的电角速度。3 分布式光伏逆变器系统的模型建立3.1 坐标变换微电网系统中包含多个逆变器型微电源，每个逆变单元的dq旋转坐标系在动态过程中是不同的，因此，需要通过坐标变换，将所有模型统一在一个公共参考坐标系中。文中选取第一个逆变单元的dq旋转坐标系作为公共参考坐标系DQ，其余逆变单元的dq旋转坐标系下的小信号模型需转换到该公共参考坐标系下，如图 5 所示。坐标系di、qi为第i个逆变器的参考坐标系，com为公共参考坐标系的旋转角频率，i为第i个逆变器的旋转坐标系的角频率，i为第i个逆变器的旋转坐标系与公共参考坐标系的相位差。公共参考坐标系与各旋转坐标系之间的转换关系为：式中：fDQ=fD fQT，fdqi=fdi fqiT，3.2 功率控制部分从图 5 中可以看出，i的微分表达式为：取有功功率Pi和无功功率Qi作为功率控制部分的状态变量，由式(2)可得：3.3 双闭环控制部分为便于分析问题，定义电压环和电流环控制的图4 电压电流双闭环控制框图-+-+kvp+kvi/skvp+kvi/skcp+kci/sdqabcPWM调制kcp+kci/siCfiCfiLfiLfuodrefiuoqrefiuodiuoqii1drefii1qrefiu*invdiu*invqii1dii1qiFiodiFioqi电压环电流环(2)pi=1.5(uodiiodi+uoqiioqi)qi=1.5(uoqiiodi-uodiioqi)Pi=GLP(s)pi=pics+cQi=GLP(s)qi=qics+c(3)u*invdi=kcp(i1drefi-i1di)+kci (i1drefi-i1di)dt-iLfi1qiu*invqi=kcp(i1qrefi-i1qi)+kci (i1qrefi-i1qi)dt+iLfi1dii1drefi=Fiodi+kvp(uodrefi-uodi)+kvi (uodrefi-uodi)dt-iCfuoqii1qrefi=Fioqi+kvp(uoqrefi-uoqi)+kvi (uoqrefi-uoqi)dt+iCfuodi图5 参考坐标系的旋转变换QDqidiOiicom(5)=i-comdidt(4)fDQ=Tifdqifdqi=T