基于虚拟惯性控制的直流微电网稳定性分析及其改进方法论文_王衍衡,李远骞

摘要：经济的发展，城市化进程的加快，人们对电能的需求也逐渐增加。随着能源短缺和环境问题日益严峻，分布式发电技术得到了广泛关注。直流微电网因其内部采用直流传输而表现出的一系列突出优点，在直流微源和直流负荷使用率与日俱增的形势下有着广阔的发展前景。但基于大量电力电子变流器接口的直流微电网响应速度非常快，在发生诸如光伏、风电等间歇性能源输出功率波动，负荷频繁投切等常见扰动时，会引起直流母线电压急剧波动，直接威胁到直流微电网的安全稳定运行。因此低惯性的直流微电网将会是一个相当脆弱的系统，若能通过虚拟惯性控制释放直流微电网中潜在的惯性，从而增强抑制直流母线电压突变的能力，可为应对大量分布式能源接入对系统安全稳定运行带来的影响与挑战提供有效的解决思路，对促进直流微电网的快速健康发展具有重要的理论意义和应用价值。本文就基于虚拟惯性控制的直流微电网稳定性分析及其改进方法 展开探讨。

关键词：直流微电网；虚拟惯性控制；小信号模型；稳定性分析

引言

随着传统能源的短缺和环境的恶化，采用清洁能源发电逐渐受到人们的重视。经研究发现，直流微电网在网络结构、运行方式等方面更适合大规模的新能源接入，而且与交流电网相比，直流微网无频率和相位同步问题，且具有结构简单、线路损耗低、可控性及可靠性高等优势。

1直流微电网系统构成

在直流微电网的控制方式中，分布式控制策略只需本地信息即可实现微源间的功率分配，在中小型直流微电网中得到了广泛的应用。直流微电网由风机、光伏、蓄电池、交/直流负载以及相关的电力电子换流器构成，其中，（W-VSC)为风机侧电压源型换流器，P-DC为光伏侧DC-DC换流器，B-DC为蓄电池侧双向DC-DC换流器，L-VSC为交流负载侧电压源型换流器，L-DC为直流负载侧DC-DC换流器。交流电网通过并网逆变器(G-VSC)与直流微电网相连。PG、PB、PCPS1、PCPS2分别表示交流电网、蓄电池、光伏、风机的输出功率，PCPL1和PCPL2分别表示直流和交流负荷功率。W-VSC与P-DC采用最大功率跟踪控制，L-VSC采用定交流电压控制，L-DC采用定直流电压控制，G-VSC与B-DC根据本文研究需要采用不同的控制(下垂控制/附加虚拟惯性控制/AVSG控制)。

2直流微电网虚拟惯性控制

2.1直流微电网虚拟惯性分析

基于不同控制方式的各变流器其输出有功功率与实际向直流母线注入的有功功率关系均可表示成

（1）

式中：Pin为变流器输出的有功功率；Pout为注入直流母线的有功功率；PC为变流器直流母线侧电容Cdc的放电功率；udc为直流母线电压。当直流微电网稳定运行时，PC=0，即Pin=Pout；当直流微电网发生扰动，功率Pout增加或减少∆Pout，不平衡功率将导致直流母线电压下降或升高。为抑制直流母线电压变化，直流侧电容会根据电压变化释放或吸收功率，但受实际容量影响，抑制效果非常有限。然而和变流器相连的风电、蓄电池和大电网等可控电源，本身具有提供惯性支持的能力。假定对变流器施加附加惯性控制，使可控电源在电压突变时向直流微电网提供∆Pvir的惯性功率，此时电容两侧的功率平衡关系可表示为

（2）

由式（2）可见，施加附加惯性控制后，注入直流母线的功率变化量∆Pout由可控电源输出的惯性功率∆Pvir和电容器的充/放电功率PC相平衡。引入可控电源惯性功率∆Pvir后，对相同功率变化量∆Pout，电容器的充/放电功率PC将减小，即直流母线的电压变化量将减小，相当于提高了直流系统的惯性。

2.2直流系统中的虚拟惯性

直流系统中一般采用电压－电流下垂控制方法，根据设定的各端电压与电流的斜率特性，能够让所有的变流站一起来控制直流电压的稳定，且无须通信。

3仿真验证

本文在Simulink中搭建了直流微电网的仿真模型。设置负载全部为恒功率负载，系统参数与第2节一致。初始负载功率为5kW，10s时增加5kW，Cvir分别为0、10、21时的系统仿真结果如图1所示。对比3种情况下直流母线电压的动态响应曲线可知，在负荷突增的情况下，相比下垂控制，虚拟惯性控制在抑制直流母线电压突变方面表现出了良好特性，虚拟惯性系数越大，系统惯性越大。Cvir=10时系统仍能保持稳定运行，但Cvir=21时，源侧阻抗Zs与负载侧阻抗ZL幅值相等、相位相差180°，因此系统出现高频谐波，直流母线电压上叠加了一个高频振荡分量，系统失稳。图2为只有下垂控制时，直流母线电压随负载功率增加的变化情况。初始负载为5kW，在10、15、20、25s时分别增加负载功率5kW，在30s时增加4kW，可见系统都可以稳定运行。当Cvir=16，10s增加5kW负载后，系统出现了微小的振荡，但振幅是衰减的，且很快恢复到了稳定状态；15s再增加5kW负载后，由于Zs与ZL相互作用，系统发生了高频振荡；20s时系统负载为20kW，由于电源阻抗Zs增大，振荡幅值随之增大，负载大于10kW后，振荡幅值随电源阻抗减小而减小但一直处于高频振荡状态。相比下垂控制，虚拟惯性控制虽然可以增强系统的惯性，改善电压质量，但是削弱了系统的稳定性。

图1 Cvir变化时系统仿真结果

图2下垂控制下的系统仿真结果

结语

微电网将在未来的电力系统中发挥重要作用，它们有更好的服务可靠性，更好的经济性，并能减少对当地电力的依赖。随着微电网越来越普遍，对软同步技术的需求越来越明显。这些新的技术要求需要系统在网络延迟或系统不确定性期间更加可靠和高效。

参考文献：

[1]王成山，李微，王议锋，等．直流微电网母线电压波动分类及抑制方法综述[J]．中国电机工程学报，2018，37(1)：84-98．

[2]李霞林，郭力，王成山，等．直流微电网关键技术研究综述[J]．中国电机工程学报，2018，36(1)：2-17．

论文作者:王衍衡,李远骞

论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期

论文发表时间:2020/4/13

标签：电网论文;  惯性论文;  母线论文;  功率论文;  电压论文;  负载论文;  系统论文;  《电力设备》2019年第22期论文;