基于自适应虚拟阻抗控制的孤岛微电网电能质量优化策略_王杨.pdf

第 47卷 第 7期 2023年 4月 10日Vol.47 No.7 Apr.10，2023http：/www.aeps-基于自适应虚拟阻抗控制的孤岛微电网电能质量优化策略王杨，唐俊苗，赵劲帅，王翰文，肖先勇（四川大学电气工程学院，四川省成都市 610065）摘要：随着大量不对称负载以及非线性负载的接入，孤岛微电网的电能质量问题日益凸显，如何合理分配不平衡和谐波功率成为关键。目前提出的分配策略多致力于实现谐波和负序电流的均分，降低过载风险，但忽略了不同逆变器改善电能质量的差异性。为此，以充分利用逆变器的剩余容量为核心思想，文中提出了一种以改善微电网电能质量为目标的功率分配策略。所提控制策略将剩余容量与输出的非基频功率之差作为输入，自适应调节基波负序和主导谐波频率处的虚拟阻抗，从而保证了逆变器在稳态工况下不过载，并为谐波电流和负序电流分别提供阻抗尽可能小的流通路径，达到改善微电网电能质量的目标。为保证虚拟阻抗调节的稳定性与快速性，基于根轨迹分布确定了虚拟阻抗稳定域范围，并提出了一种改进的变参数积分控制方法。最后，通过仿真和硬件在环实验验证了所提控制策略的可行性与有效性。关键词：孤岛微电网；电能质量；剩余容量；自适应虚拟阻抗；功率分配；稳定性；变参数积分控制0 引言微电网是由分布式电源、储能设备、本地负荷等构成的小型电网，可极大提高分布式新能源的利用率1。全网具有统一频率而线路阻抗具有明显差异，使得功率均分成为微电网中逆变器控制策略设计的重点。功率均分的难点主要集中在无功功率分配2-3。为了解决该问题，当前常用的方案是在传统下垂控制的基础上附加虚拟阻抗，使得多个逆变器具有近似相等的电压幅值，从而实现无功功率的精确分配4-5。近年来，随着大量不对称负载及非线性负载的接入，孤岛微电网电能质量问题加剧，不平衡功率和谐波功率在各个逆变器间的不合理分配严重影响了微电网的高效稳定运行6-7。微电网中的线路阻抗不匹配，导致了多个逆变器间不平衡功率和谐波功率的分配问题凸显，同时负序和谐波电流的无序分配也使电能质量恶化风险激增8。文献 9 引入虚拟谐波阻抗控制策略，通过建立等效阻抗与谐波功率的下垂关系，依据功率信息实现虚拟谐波阻抗动态调整。文献 10 通过检测实时谐波电流来构造自适应虚拟谐波阻抗，以提升谐波功率均分精度。文献 11 通过捕获由主动扰动注入引起的瞬态有功功率变化，自适应构建虚拟谐波电感实现无功功率、不平衡功率和谐波功率均分。文献 12 提出了一种分布式事件触发控制策略，通过检测各逆变器无功功率、不平衡功率和谐波功率分配偏差信号设计触发控制，并引入比例-积分控制动态调整虚拟电感，在降低通信需求的基础上，实现了孤岛微电网功率的精确分配。然而，上述研究均以不平衡功率和谐波功率在各逆变器间的均分为出发点展开，未考虑利用剩余容量改善微电网电能质量。传统意义上的均分控制策略是为了让逆变器按照额定容量分担对应的功率，保证公平性来降低各个逆变器过载的风险，然而对于非线性或不平衡负载较大的微电网，功率均分并不一定是必须的。首先，均分的首要目的是为了调整不平衡功率和谐波功率的分布，避免逆变器过载，因此只需保证微电网中各个逆变器的不平衡功率和谐波功率之和不超过剩余容量即可。其次，当多个逆变器归属于电网或同一用户时，改善电能质量比保证多个逆变器公平性更有意义。此外，近年来有学者基于虚拟阻抗控制的基本原理，提出了考虑微电网电能质量的谐波与不平衡电流分配策略。文献 13 根据剩余容量来实现谐波DOI：10.7500/AEPS20220722007收稿日期：2022-07-22；修回日期：2022-11-14。上网日期：2023-02-27。国家自然科学基金资助项目（52177104）。632023，47（7）学术研究 功率的分配，考虑了剩余容量治理电能质量的能力，但是并未实现对剩余容量的完全利用。在电压畸变较严重时，还需要额外增设谐波失真计算模块，以重新调整逆变器输出阻抗设计规则。文献 14 通过加入负虚拟阻抗来补偿电压失真，建立虚拟阻抗和剩余容量之间的下垂关系。然而，功率均分仍然是控制目标之一，因此电能质量的治理效果是有限的。文献 15 考虑利用剩余容量解决单相微电网中的谐波问题，但在三相微电网复杂场景中的适用性有待商榷，且设计过程的严谨性仍需进一步提升。除了虚拟阻抗控制之外，电流补偿是另一类常见的微电网电能质量控制方案。文献 16 提出了一种补偿容量优化分配策略，通过比较节点的剩余容量与补偿容量的大小，设计电流全补偿或优化补偿的分配方案，对微电网的电能质量进行综合治理。文献 17通过获取各点待补偿的电流分量，结合电能质量综合评估模型，利用拉格朗日乘子法求解最优补偿系数，提出了以补偿容量最少为目标的电能质量治理策略。电流补偿本质上是一种反馈控制，需要明确的谐波源信息以确定补偿目标，当仅有本地测量信息时难以适用。本文将文献 15 所提单相微电网电能质量治理的相关工作拓展应用于三相微电网，提出了以优化电能质量为目标的不平衡功率与谐波功率分配控制策略。在保证逆变器均不过载的基础上，有效减小各逆变器的等效阻抗，从而为基波负序电流和谐波电流提供阻抗尽可能小的流通路径，尽可能地提高电能质量改善效果。本文所提控制策略仅依靠本地信息进行控制，无需通信系统或准确的线路阻抗，可靠性较高。1 微电网结构及控制1.1典型微电网结构典型微电网结构如附录 A 图 A1 所示，由光伏、风电等构成的分布式电源，经过逆变器、滤波器、线路阻抗汇集到公共母线，共同向负荷传输能量。随着非线性负载和不对称负载的大量接入，微电网的电能质量将受到严重的冲击。尤其是在实际环境中，分布式电源往往会由于线路阻抗不一致，导致不平衡功率、谐波功率无法合理分配，部分逆变器运行在过载状态，威胁到微电网系统的稳定运行。因此，与大量侧重于无功功率分配问题的研究不同，本文以电能质量优化为目标，主要关注不平衡功率和谐波功率的分配问题。1.2虚拟阻抗控制基本原理传统的下垂控制方法由基波正序分量推导而来，未考虑基波负序和谐波频段，因此难以对不平衡功率和谐波功率展开有效控制。下垂控制的主要难点在于多个逆变器因输出电压幅值不一致会导致无功功率无法准确按逆变器容量分配，为了解决该问题，常采用附加虚拟阻抗来改变逆变器基频下的等效阻抗。典型的虚拟阻抗控制实现框图如附录 A图 A2 所示。图中：Lf、Rf、Cf分别为滤波器电感、电阻、电容；Gu（s）为电压外环控制器的传递函数，该控制器为准比例-谐振控制器；Gi（s）为内环电流控制器的传递函数；Gd（s）为包含逆变器等效增益的延时环节，为了便于分析，延时环节通常采用二阶 Pade近似。考虑附加虚拟阻抗后逆变器输出电压的表达式如式（1）所示：Uo(s)=G(s)uref(s)-Zinv(s)io(s)（1）G(s)=Gu(s)Gi(s)Gd(s)sCf(sLf+Rf)+sCfGi(s)Gd(s)+Gu(s)Gi(s)Gd(s)+1Zinv(s)=(sLf+Rf)+Gi(s)Gd(s)+Zvir(s)Gu(s)Gi(s)Gd(s)sCf(sLf+Rf)+sCfGi(s)Gd(s)+Gu(s)Gi(s)Gd(s)+1（2）式中：G（s）为逆变器闭环电压传递函数；uref（s）为参考电压；Zinv（s）为附加虚拟阻抗后的逆变器等效阻抗；io（s）为逆变器输出电流；Zvir（s）为附加虚拟阻抗。2 虚拟谐波阻抗控制前述虚拟阻抗控制仅对正序基波分量有效，将该概念拓展至负序与谐波域，可得虚拟谐波阻抗控制，其原理阐述如下。2.1三相谐波/不平衡电流提取为了实现不平衡功率及谐波功率的计算及虚拟阻抗的实现，考虑电流提取精度、动态响应速度及控制策略的灵活性18，本文采用两个由二阶广义积分器 所 构 成 的 正 交 信 号 发 生 器（second-order generalized integration-based quadrature signal generation，SOGI-QSG）交叉对消反馈来提取三相谐波电流分量，总体结构如附录 A 图 A3 所示。利用一个由交叉反馈结构组成的解耦网络来隔离输入电流信号中不同频率分量之间的相互作用，解耦提取各次电流分量，最终计算得到对应的 坐标系下的正负序分量。SOGI-QSG表现为滤波器特性，如式（3）所示。64王杨，等 基于自适应虚拟阻抗控制的孤岛微电网电能质量优化策略http：/www.aeps-Gh(s)=khhss2+khhs+2hGhq(s)=kh2hs2+khhs+2h（3）式中：h为系统的谐振频率；h 为谐波次数；kh为增益系数，决定了 SOGI-QSG 的带宽；Gh（s）为带通滤波 器 传 递 函 数；Ghq（s）为 低 通 滤 波 器 传 递 函 数，Ghq（s）的输出总是滞后 Gh（s）相位 90，经过交叉对消反馈后，各次谐波电流提取的传递函数如式（4）和式（5）所示。T1(s)T3(s)T5(s)=1G1(s)G1(s)G3(s)1G3(s)G5(s)G5(s)1-1G1(s)G3(s)G5(s)（4）Thq(s)=Ghq(s)(1-n hTn(s)（5）式中：Th（s）为 h次谐波电流提取传递函数；Thq（s）的输出总是滞后 Th（s）相位 90。附录 A 图 A4 给出了T11（s）、G11（s）和 T11q（s）、G11q（s）的频率特性。利用式（6）提取出不同频率和相序下所有期望的电流信号。i+hi+hi-hi-h=12Th()s+e-j90Thq()sThq()s-e-j90Th()sTh()s-e-j90Thq()sThq()s+e-j90Th()sio（6）式中：i+h、i+h分别为 坐标系下 轴和 轴的正序电流分量，当 h=1 时，用于计算基波功率；i-h、i-h分别为 坐标系下 轴和 轴的负序电流分量，当h=-1 时，用于计算不平衡功率 SU。考虑 h=5、7、11次主导谐波分量计算谐波功率 SH。2.2虚拟谐波阻抗确定虚拟电阻 Rv和虚拟电感 Lv即可计算出不同频率和相序下响应的电压降，如式（7）所示。u-hu-h=RvhLv-hLvRv i-hi-h u+hu+h=Rv-hLvhLvRv i+hi+h（7）式中：u-h、u-h分别为 坐标系下虚拟阻抗引入的 轴和 轴负序电压分量；u+h、u+h分别为 坐标系下虚拟阻抗引入的 轴和 轴正序电压分量。本文考虑补偿负序基波、5次谐波、11次谐波以及正序 7次谐波，可得虚拟阻抗的总电压降如下：uv=u+1+u-1+u-5+u+7+u-11uv=u+1+u-1+u-5+u+7+u-11（8）式中：uv和 uv分别为 坐标系下 轴和 轴的电压降，将该电压降从参考电压中扣除，以模拟实际阻抗的影响。逆变器自身等效阻抗 Zv（s）在 坐标系下完全解耦，结合式（7）可知，加入虚拟阻抗后引入的电压降在 坐标系下存在耦合，如式（9）所示。Zinv(s)Zinv(s)Zinv(s)Zinv(s)=Zv(s)+Zvir(s)G(s)Zvir(s)G(s)Zvir(s)G(s)Zv(s)+Zvir(s)G(s)（9）式中：Zinv(s)、Zinv(s)分别为 轴和 轴的逆变器等效阻抗；Zinv(s)、Zinv(s)分别为 轴和 轴的逆变器耦合阻抗；Zvir(s)、Zvir(s)分别为 轴和 轴的虚拟阻抗；Zvir(s)、Zvir(s)分别为 轴和 轴的耦合虚拟阻抗。考虑到虚拟阻抗在相序域下不存在耦合，进一步将等效阻抗转至相序域实现解耦，变换表达式如式（10）所示。upun=12 1ej901e-j90 uu（10）式中：up、un分别为电压正序、负序分量；u、u分别为电压 轴、轴分量。等效阻抗的解耦表达式如式（11）所示。Zinvph(s)=Zv(s)+Zvirph(s)G(s)Zinvnh(s)=Zv(s)+Zvirnh(s)G(s)（11）式中：Zinvph(s)、Zinvnh(s)分别为 h 次正序、负序逆变器等效阻抗；Zvirph(s)、Zvirnh(s)分别为 h次正序、负序