柔性接入微电网的小信号建模_卢红文.pdf

2023 年第 36 卷第 3 期Electronic Sci.Tech./Mar.15，2023h t t p s:/j o u r n a l.x i d i a n.e d u.c n收稿日期:2021-08-31基金项目:国家自然科学基金(52067004);贵州省科学技术基金项目(2019 1128)National Natural Science Foundation of China(52067004);GuizhouScience and Technology Fund Project(2019 1128)作者简介:卢红文(1997 )，男，硕士研究生。研究方向:电力电子在电力系统中的应用。袁旭峰(1976 )，男，教授。研究方向:电力电子在电力系统中的应用、电力系统运行与控制。柔性接入微电网的小信号建模卢红文，袁旭峰，陈瑞洁，李雨龙(贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025)摘要针对传统并网硬开关无法主动调节潮流的问题，利用背靠背变流器取代传统并网硬开关，对配电网与微电网进行柔性互联，便于二者之间的协调控制。为对系统进行稳定性分析，并考虑到不同规模的微网内分布式电源数量的不同，文中建立一种经背靠背变流器接入的含 N 个分布式电源的微网小信号状态空间模型框架。利用 MATLAB 对其进行特征值分析，确定了影响微电网稳定性和动态性能的关键参数。在 PSCAD/EMTDC 平台上搭建出基于下垂控制的微电网柔性并网运行模型，将建立的小信号模型与搭建的仿真模型结合，在多个工况下进行仿真，验证了建模、分析与结论的正确性。关键词微电网;配电网;背靠背变流器;小信号模型;特征值分析;下垂控制;柔性互联;系统稳定性中图分类号TP273文献标识码A文章编号1007 7820(2023)03 021 09doi:10.16180/ki.issn1007 7820.2023.03.004Small Signal Modeling of Flexible Interconnected MicrogridLU Hongwen，YUAN Xufeng，CHEN uijie，LI Yulong(The Electrical Engineering College，Guizhou University，Guiyang 550025，China)AbstractIn view of the problem that the traditional PCC hard switch cannot actively adjust the power flow，theback to back converters are used to replace the traditional PCC hard switch to flexibly interconnect the distributionnetwork and microgrid，so as to facilitate the coordinated control between them In order to analyze the stability of thesystem and consider the different number of distributed generators in microgrid of different scales，a microgrid smallsignal state space model framework with N distributed generators connected through back to back converter is es-tablished The eigenvalue analysis is carried out using MATLAB，and the key parameters affecting the stability anddynamic performance of microgrid are determined Finally，a microgrid flexible grid connection operation model basedon droop control is built on PSCAD/EMTDC platform The established small signal model is combined with the builtsimulation model，and the simulation is carried out under multiple working conditions to verify the correctness of themodeling，analysis and conclusionKeywordsmicrogrid;distribution network;back to back converter;small signal model;eigenvalue analysis;droop control;flexible interconnection;system stability为了促进分布式电源(Distributed Generatin，DG)大规模接入，使其得到更合理的利用，微电网技术成为近年来的重要研究热点1。微电网的提出，不但可以更充分地利用分布式电源，还能解决一系列由于大规模 DG 接入导致的问题，是传统电网向智能电网的重要过渡2。为了更好地分析微电网运行的动态特性，对其进行小信号建模是十分有必要的3。通过对所建立的小信号模型进行特征值分析，不仅可以分析不同参数变化对微电网小信号模型稳定性的影响，还能够确定控制器的参数，提高系统的动态性能。文献 5 7在孤岛模式下建立了微电网主要子模块的小信号模型。文献 5通过特征值分析，对控制策略进行改进，一定程度上提高了系统的稳定性。文献 6 基于特征值根轨迹对系统各参数进行优化，并对比了参数优化前后系统状态矩阵特征值的分布情况。文献 7利用特征值分析，忽略一些对系统影响较小参数，并在此基础上提出了两种降阶模型，降低了微网小信号模型的复杂性。以上文献对微电网进行小信号建模时，推导的小信号模型受限于 DG 的数量，若DG 数量发生改变，则需重新推导小信号模型，适用性不强，因此需要建立一种含 N 个 DG 的微网小信号模型框架。此外，上述研究仅对孤岛模式下的微电网进12Electronic Science and Technology卢红文，等:柔性接入微电网的小信号建模h t t p s:/j o u r n a l.x i d i a n.e d u.c n行了稳定性分析，只考虑了微网内部的影响，未考虑并网运行时外部对其产生的影响。与配网连接进行并网运行时同样存在一系列稳定性问题，若处理不好，严重时甚至会影响配网稳定性8。传统的并网运行方式是通过公共连接点(Point of Common Coupling，PCC)硬开关将微电网接入配电网，其无法对配网功率进行有效控制，难以对潮流进行柔性调节。文献 11 介绍了背靠背变流器(Back To Back Converter，BTBC)用于微网并网时的优势。文献 12利用背靠背变流器作为互联开关，提升了系统稳定性，但该研究没有对系统进行全面的小信号建模，无法对该方式下的系统进行稳定性分析，也无法了解各种控制器参数对系统的影响。在以上问题的基础上，本文利用 BTBC 取代传统PCC 硬开关，对配电网与微电网进行柔性互联，提高微电网并网运行的动态特性。主要工作如下:首先分别建立了 BTBC 和含 N 个 DG 的微网数学模型，并将二者结合线性化，获得完整的微电网柔性并网运行小信号模型;随后利用 MATLAB 对其进行特征值分析，绘制出不同参数改变时所对应的根轨迹图，分析影响系统稳定性的关键参数;最后在 PSCAD/EMTDC 平台上搭建出基于下垂控制的微电网柔性并网运行模型，结合建立的小信号模型，通过不同工况下的仿真，验证了建模、分析与结论的正确性。1基于柔性互联接入的微电网如图1 所示，利用 BTBC 代替传统 PCC 硬开关，将微电网柔性接入配电网。电压等级为 380 V，频率50 Hz。BTBC 由配网侧 VSC1、微网侧 VSC2组成。微电网内的 DG 采用下垂控制策略，既能在无通信的条件下保证系统的稳定运行，又能降低控制系统的复杂程度，具有一定的经济性13。BTBC 配网侧VSC1采用定有功功率控制和定无功功率控制策略，微网侧 VSC2为定直流电压和定无功功率控制策略14。图 1 基于柔性互联接入的微电网Figure 1 Microgrid based on flexible interconnection2基于柔性互联接入的微电网小信号模型本节将推导如图 1 所示含 N 个 DG 的微电网小信号模型和 BTBC 小信号模型，并将其结合，获得系统完整的小信号模型。需要注意的是，本文的研究场景是柔性接入配电网的微电网，由于配网强度较高，且频率稳定，因此锁相环对系统的小扰动影响较小15。为精简模型，可忽略对锁相环的建模。2.1微电网小信号模型2 1 1DG 并网逆变器功率控制器控制框图如图 2 所示，有功、无功功率由测得的输出电压、电流计算而得。经低通滤波器滤除谐波，可提高功率波形质量。其中，c是低通滤波器的截止频率，s 是拉普拉斯变换因子，mp为有功下垂系数，nq为无功下垂系数，n是微电网的额定角频率，Uo是微电网的额定电压。图 2 功率控制器控制框图Figure 2 Block diagram of power controller功率控制器的小信号模型如式(1)、式(2)所示PQ=APPQ+BPildquodqiodq+CPcom(1)u*odq=DPDPuPQ(2)其中，com是公共 DQ 轴的角频率，通常取自第 1 个逆变器;Ap、Bp、Cp、Dp、Dpu为系数矩阵。双环控制器的框图如图 3 所示。图 3 双环控制框图Figure 3 Block diagram of double loop control电压外环控制器小信号模型为22卢红文，等:柔性接入微电网的小信号建模Electronic Science and Technologyh t t p s:/j o u r n a l.x i d i a n.e d u.c ndq=0 dq+Auu*odq+Buildquodqiodq(3)i*ldq=Cudq+Duu*odq+Euildquodqiodq(4)同理可得电流内环控制器小信号模型。dq=Aii*ldq+Biildquodqiodq(5)uidq=Cidq+Dii*ldq+Eiildquodqiodq(6)滤波电感电流为 il，输出电压 uo和输出电流 io需满足Lfild=uid uod fild+LfilqLfilq=uiq uoq filq Lfild(7)Cf?uod=iid iod+CfuoqCf?uoq=iiq ioq Cfuod(8)Liod=uod uCd iod+LioqLioq=uoq uCq ioq Liod(9)联立式(7)式(9)并对其线性化，则输出滤波器及线路的小信号模型如式(10)所示。ildquodqiodq=ALNildquodqiodq+BLNuidq+CLNuCdq+DLN(10)利用下式将上述小信号模型统一转换到公共 DQ参考坐标系下。ioDQ=Tiodq=cos sinsincosiodq(11)UCdq=T1UCDQ=cossin sincosUCDQ(12)综上，第 N 个逆变电源的小信号模型如式(13)所示。XinvN=AinvNXinvN+BinvNuCDQ+BNcomcomNioDQN=CinvNCinvcNXinvN(13)其中，XinvN=NPNQNdqNYdqNildqNuodqNiodqN。