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孤岛微电网易发生高频振荡问题,新控制方法可有效解决

作者:中国储能电站网 来源:电气新科技 时间:2020-05-20 浏览:
      国家电能变换与控制工程技术研究中心(湖南大学)的研究人员刘津铭、陈燕东、伍文华、张焜、罗安,在2020年第7期《电工技术学报》上撰文,孤岛微电网无大电网支撑,源-荷电力电子装备间强交互耦合,易发生高频振荡等稳定性问题。对此,提出了一种离网源脉宽调制(PWM)逆变器的阻抗重构控制方法,可提高离网源PWM逆变器的输出序阻抗在高频处的相位,增加系统阻尼,能有效抑制系统高频振荡。

微电网能够充分促进可再生能源的大规模接入,实现对本地负荷高可靠供给,使传统电网向智能电网过渡,且已得到长足发展。微电网既可以运行于并网模式也可以运行于孤岛模式,当微电网运行于孤岛模式时,由于没有大电网的支撑,系统中源电力电子装备与负荷电力电子装备间强交互耦合,易发生高频振荡等稳定性问题,严重影响到孤岛微电网的安全稳定运行。

抑制电力电子系统振荡问题的方法主要分为两种:无源阻尼法和有源阻尼法。无源阻尼法是在电力电子系统中加入无源阻尼支路,抑制系统中存在的谐振尖峰,从而保证了系统的稳定,但是该方法会带来额外的功率损耗,降低系统效率。

有源阻尼法是通过电压或电流反馈控制,等效地在系统中增加并联或串联的阻尼支路,从而调节源变换器的输出阻抗或负荷变换器的输入阻抗,使得级联系统的等效环路增益满足Nyquist稳定性判据,该虚拟阻尼支路不会引入额外的功率损耗。有学者提出有源阻尼法是解决直流系统中的振荡问题,由于交流和直流系统中变换器的拓扑与控制器的差异,该方法难以直接应用到孤岛微电网系统中。

针对交流系统的振荡问题,有学者提出了四种不同形式的虚拟电阻控制,等效地在脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)逆变器的LC输出滤波器上串联或者并联电阻,可有效抑制系统振荡。

有学者分析了基于电容电流反馈的有源阻尼控制,并给出了相应的控制参数设计方法。

有学者对比分析了不间断电源(Uninterrupted Power Supply, UPS)逆变系统采用单环电压控制、有源阻尼电压控制和带前馈的有源阻尼控制三种不同控制方式的控制性能。其中,带前馈的有源阻尼控制不仅能够有效抑制振荡,还能减小有源阻尼带来的控制相位滞后。但研究的对象都是单相或三相的并网逆变器系统,抑制的主要是强网与逆变器之间的振荡问题。

有学者考虑了数字控制延迟的影响,提出了基于电容电流反馈的有源阻尼控制的参数设计方法,可提高系统振荡抑制性能,但仅分析和解决PWM逆变器在空载下或带线性负荷下的稳定性问题。而孤岛微电网系统中的源和负荷都是电力电子装备,传统的双环控制策略已难以抑制该系统中振荡问题。

针对所研究的孤岛微电网系统,需要建立孤岛微电网中的源PWM逆变器和负荷PWM整流器的序阻抗模型。但是在现有的研究中,所建立的均是单一并网逆变器的正负序阻抗模型,而对三相离网逆变器的正负序阻抗建模还未见报道。目前采用谐波线性化方法对一个孤岛离网系统的正、负序阻抗进行建模也未见报道。而且,在正、负序阻抗视角下,对三相离网逆变器和负荷整流器进行交互稳定性分析更是少有研究。

国家电能变换与控制工程技术研究中心的研究人员,采用谐波线性化方法,建立了三相离网源PWM逆变器正负序阻抗模型,在已有的整流器阻抗模型研究基础上,对比分析了系统中源PWM逆变器的输出序阻抗特性和负荷PWM整流器的输入序阻抗特性,且分析两者在系统中的交互稳定,并加入阻抗重构控制来修正所建立的三相离网源PWM逆变器模型,使其拥有优良的输出阻抗特性。

图1 系统简化结构及控制框图

然后,基于所建序阻抗模型和Nyquist稳定判据分析负荷类型、负荷功率大小对孤岛微电网系统稳定性的影响,揭示了源PWM逆变器与负荷PWM整流器交互发生高频振荡的本质原因:在高频处,源PWM逆变器的容性输出阻抗与负荷PWM整流器的感性输出阻抗不匹配。

图2 实验平台

研究人员认为:

1)源PWM逆变器由于无锁相环存在,其输出阻抗不受稳定运行工作点的影响;而负荷PWM整流器由于存在锁相环这个非线性环节,其输入正、负序阻抗受稳定运行工作点的影响。

2)当采用传统双闭环控制时,源PWM逆变器带不同功率电阻负荷时都能稳定运行,但当接负荷PWM整流器时就会发生高频振荡问题。

3)孤岛微电网系统发生高频振荡的本质原因为:在高频处,源PWM逆变器的正、负序输出阻抗均具有负电阻值容性阻抗特性,负荷PWM整流器的输入正、负序阻抗都呈感性,两者交互时,会发生串联谐振,而此时孤岛微电网整体阻尼小于零,整个系统将发生串联高频振荡。

对此,在传统的双环控制策略的基础上,研究人员提出了源PWM逆变器的阻抗重构控制。该控制方法分别提高了源PWM逆变器的输出正、负序阻抗在高频处的相位,使得源PWM逆变器与负荷PWM整流器的正、负阻抗相交点的相位差都远大于-180°,本质上增加了孤岛微电网系统的阻尼,可有效抑制孤岛微电网系统高频振荡。

以上研究成果发表在2020年第7期《电工技术学报》,论文标题为“孤岛微电网序阻抗建模与高频振荡抑制”,作者为刘津铭、陈燕东、伍文华、张焜、罗安。

关键字:微电网

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