基于下垂特性的微电网最优虚拟阻抗控制方法

  随着智能配电网中分布式电源(DG)渗透率的持续不断的增加,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操控方法在微电网中得到了广泛应用,然而传统下垂操控方法存在功率耦合、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操控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,能达到在控制管理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没办法满足。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很好的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。

  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能够获得逆变器的电压参考值。

  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:

  微电网的所有节点电压应保持在一些范围之内。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。

  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有强耦合。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。

  虚拟阻抗可以通过增加DG之间的电气距离以增强微电网系统的稳定性。为了能够更好的保证微电网系统拥有非常良好的阻尼特性,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。

  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。

  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,能获得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。

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