华北电力大学朱晓荣、韩丹慧等:提高直流微电网

提高直流微电网稳定性的并网换流器串联虚拟阻抗方法/朱晓荣，韩丹慧，孟凡奇，李铮

1.研究背景

近年来，随着电源及负载组成的变化，直流微电网获得了广泛关注，在居民住宅、数据中心及电动汽车充电站等领域具有广阔的应用前景。直流微电网是以电力电子换流器主导的低惯性网络，由于缺乏惯性导致直流母线电压对微源、负荷的功率波动极为敏感，这严重影响了系统的电能质量与安全稳定运行。针对这一问题，国内外学者提出了关于增强直流微电网惯性的控制策略，但大多都将重点放在实现惯性控制的研究上，并未考虑应用惯性策略对系统稳定性产生的影响。而直流微网中换流器间的相互作用、控制参数的改变以及恒功率负载的负阻尼特性都会对系统的稳定性产生影响，甚至会导致振荡失稳。因此，分析惯性控制对直流微电网系统稳定性产生的影响，并提出相应的解决方法是有必要的。

2.论文主要内容

图1 虚拟惯性控制的并网换流器控制结构

电压源并网逆变器的拓扑结构及其控制策略如图1所示。对并网换流器的控制系统进行小信号建模，得到输出阻抗:

分别绘制输出阻抗 Z o 、分母 D =[1- G u_i ( s ) G i_i * ( s )( G i_u ( s )-1/ k )]和分子 G u_io ( s )的伯德图，通过分析发现导致 Z o 出现峰值的因素在分母函数 D 中。为研究分母 D 对阻抗峰值的影响，将其转化成零极点表示的函数:

通过计算得到 C vir =16、 P =15kW时 D 的零极点，并绘制零极点函数的伯德图，如图2所示。

图2 ( s - z i )和1/( s - p i )的伯德图

为了削减 Z o 的峰值，本文将主导峰值的零点3.取出，补偿到 Z o 的分子 G u_io ( s )，令:。

为了不影响其他频段的幅值，需要保证其它频段的补偿量为0，加入二阶低通滤波器 f 2 ( s )将高频段的量抵消，考虑到低频段的幅值不能发生改变，令低通滤波器的增益为3×10 5 。其中， f 2 的表达式为

。

综合上述分析得到总补偿函数 f ( s )= f 1 ( s ) f 2 ( s )，将 f ( s )与分子 G u_io ( s )的幅值叠加，得到 Z o 与虚拟阻抗 Z vir 串联得到的输出阻抗Z oo 为:

为了控制上更好实现，将虚拟阻抗的引入点右移，作用到内环的参考电流 i d * 上，如图1中虚线框所示，最终的补偿量 G vir ( s )为[-(1- f ( s )) G u_io ( s )]/ G u_i ( s ) G i_i * ( s )。

串联虚拟阻抗前后输出阻抗的对数幅频曲线如图3所示，从图中可以看出，加入补偿后可以大大减小 Z o 的峰值，使输出阻抗的对数幅值一直保持在0dB以下，且对其他频段的幅值和相位都没有影响。

图3 串联虚拟阻抗前后 Z o 的伯德图

通过分析得到，在虚拟系数 C vir 变化的情况下，需要计算不同的补偿函数，选定 C vir 的值后，选取 Z o 峰值最大对应的补偿函数可以使系统稳定裕度最大。

3.实时仿真验证

图4 RTLab实时仿真验证

由图4可见，在t=11s时投入虚拟串联阻抗，系统能很快恢复稳定，同时虚拟阻抗的加入不影响虚拟惯性控制提供的惯性，也不会导致系统稳态运行时发生电压偏移。

4.结论

本文针对引入虚拟惯性控制可能会造成系统不稳定的问题，提出一种并网换流器串联虚拟阻抗的方法，通过伯德图分析输出阻抗 Z o 中不利于系统稳定的零点函数，将该函数通过公式换算，作为虚拟阻抗串联到并网换流器的控制系统中，能有效削弱 Z o 峰值，增大系统阻尼，提高系统稳定裕度。

附加虚拟惯性系数和恒功率负载的变化情况是多数情况是不固定的，本文选取了并网换流器的几个工作场景进行分析，需进一步研究工况变化时并网换流器输出阻抗的连续变化情况，进一步分析随附加虚拟惯性系数和恒功率负载变化而变化的虚拟阻抗函数。

文章来源：《电力系统保护与控制》 网址: http://www.dlxtbhykzzz.cn/zonghexinwen/2020/1021/563.html