随着智能配电网中分布式电源(DG)渗透率的不断增加,微电网成为一种对分布式发电的有效利用形式。具有无需通信特性的下垂控制方法在微电网中得到了广泛应用,然而传统下垂控制方法存在功率耦合、无功功率无法精确分配以及系统稳定性差等诸多问题,通过在DG的下垂控制中引入虚拟阻抗能够有效解决上述问题。
1问题背景:微电网的传统虚拟阻抗控制方法面临难以协调和同时满足多项性能指标的难题
虚拟阻抗(virtualimpedance)是在DG的下垂控制中增加的附加控制环节。通过将DG输出电流和虚拟阻抗相乘得到虚拟电压降,再将该虚拟电压降反馈到下垂控制器的输出上,能够达到在控制系统中使虚拟阻抗模拟实际物理阻抗的效果。虚拟阻抗的引入能够(1)通过改变微网线路的X/R比例实现功率解耦,(2)通过动态调节电压降改善无功功率分配精度,(3)通过增加DG之间电气距离提高系统稳定性。
然而,如果虚拟阻抗仅针对上述单一性能指标进行设计,则其他性能指标可能无法满足。此外,由于虚拟阻抗带来的电压降落,微电网中的节点电压可能偏离允许值。因此,虚拟阻抗需要在一个能够满足各项性能指标的可行域中进行选取。
本文提出了确定虚拟阻抗可行域的系统化方法,以同时满足系统的节点电压限制、功率解耦条件、无功功率精确分配条件以及小干扰稳定条件,并在此基础上将虚拟阻抗的设计问题转化为一个优化问题,所求得的最优虚拟阻抗能够使得系统的综合性能指标达到最优。
2微电网的虚拟阻抗控制方法
分布式电源(DG)逆变器的虚拟阻抗控制实施框图如图1所示,其中DG通过逆变器、LCL滤波器以及馈线连接到公共母线(PCCbus)。DG逆变器的控制结构包括三部分:功率控制器(Powercontroller),电压控制器(Voltagecontroller)和电流控制器(Currentcontroller)。其中,将虚拟阻抗上产生的电压降反馈到功率控制器的输出上最终可以得到逆变器的电压参考值。
图1分布式电源逆变器的虚拟阻抗控制实施框图
3虚拟阻抗的可行域构造
基于含虚拟阻抗的微电网潮流计算和小信号建模(详细模型请见原文),考虑多项性能指标的虚拟阻抗可行域构造如下:
1)节点电压限制
微电网的所有节点电压应该保持在一定范围之内。具体指,最低节点电压大于系统允许最小值并且最高节点电压小于系统允许最大值。
2)功率解耦条件
微电网低压线路的X/R值较小,因此下垂控制的有功和无功之间存在强耦合。虚拟阻抗通过模拟物理阻抗,在逆变器控制中引入主导性的虚拟电抗,从而能够增加线路的X/R比例。因此,虚拟阻抗的功率解耦条件是:(i)有功与相角的相关性大于无功与相角的相关性,(ii)无功与电压的相关性大于有功与电压的相关性。
3)小干扰稳定条件
虚拟阻抗能够通过增加DG之间的电气距离以增强微电网系统的稳定性。为了保证微电网系统具有良好的阻尼特性,其小干扰稳定条件为:(i)系统的主导特征根的最弱阻尼大于给定值,(ii)该特征根实部的绝对值大于给定值。
4)无功功率精确分配条件
由于各个DG线路阻抗上的压降不同,DG之间的无功功率难以精确分配。虚拟阻抗通过改变DG的线路压降从而能够使系统无功功率达到精确分配。因此,无功精确分配条件是:DG之间无功功率分配的误差小于给定值。
4最优虚拟阻抗设计
通过将虚拟阻抗可行域的四项性能指标进行归一化并赋予合适的权重,能够得到系统的综合性能指标。最优虚拟阻抗设计是在满足可行域约束的条件下,通过智能粒子群算法(PSO)求解出使得综合性能指标最优的各台DG的虚拟电阻和虚拟电抗。该模型的数学表达和详细推导请见原文。
5算例分析
1)算例系统介绍
算例系统如图2所示。该微电网中包含4台DG和5组负荷,每台DG通过馈线连接到公共母线上。微电网通过一台0.38kV/10kV的变压器连接到配电网。
图2微电网算例系统拓扑图
2)虚拟阻抗的可行域
当馈线长度分别为300米,150米和50米时,虚拟阻抗的可行域如图3(a),(b)和(c)所示。可行域的横坐标为虚拟电阻值,纵坐标为虚拟电抗值。实线表示各项性能指标的边界,虚线阴影部分代表同时满足各项性能指标的可行域。由图3可知:
(i)虚拟阻抗取值距离某一条边界越“远”,表示该项性能指标越好；
(ii)负的电阻便于同时实现功率解耦条件,无功功率精确分配条件和最低节点电压条件,然而其可能会使得最高节点电压条件影响可能域(如图3(a)所示)；
(iii)随着线路长度的变化,虚拟电抗的取值范围变化不大,然后虚拟电阻的取值随着线路长度的增加而不断减小。
图3不同线路长度下虚拟阻抗的可行域
3)最优虚拟阻抗计算结果
在线路长度分别为50米,150米和300米情况下,最优虚拟阻抗的计算结果如表1所示,其中R0表示虚拟电阻值,X0表示虚拟电抗值,J为综合性能指标。最优虚拟阻抗在可行域中的位置如图3中的红色圆圈所示。
表1最优虚拟阻抗计算结果
各条馈线长度不相等时最优虚拟阻抗的计算结果以及微电网系统的PSCAD/EMTDC时域仿真结果请见原文。
6结论
本文构建了微电网下垂控制中虚拟阻抗取值的可行域,该可行域能够同时满足节点电压限制、功率解耦条件、无功精确分配条件以及小干扰稳定条件,在此基础上将虚拟阻抗的设计问题转化为一个优化问题,通过智能粒子群算法求解得到的最优虚拟阻抗能够使得系统的综合性能指标最优。
作者及团队介绍
吴翔宇,清华大学电机系博士研究生,2015年在加拿大多伦多大学交流访问。主要研究方向:微电网控制方法与稳定分析。
沈沉,博士,清华大学电机系教授,博士生导师,主要研究方向:微电网与新能源接入,电力系统运行与控制。
RezaIravani,博士,加拿大多伦多大学教授。主要研究方向:电力电子,电力系统暂态分析与控制。
清华大学电机系控制理论与数字化技术研究室,由卢强院士、梅生伟教授、沈沉教授为学术带头人,是国家基金委创新研究群体。目前该团队有教授3人,副教授4人,助理研究员2人,博士后3人,研究生40余人。主要研究领域包括电力系统分析与控制、先进能量管理系统、智能微电网、压缩空气储能等,相关研究成果广泛应用于我国电力行业。曾获国家自然科学进步二等奖2项,军队科技进步一等奖1项,省部级及其他奖励10余项。近5年来,团队发表和录用SCI论文50余篇,EI论文100多篇。
原标题：基于下垂特性的微电网最优虚拟阻抗控制方法
