内容摘要：电力电子变换器是微电网系统的重要组成部分。为了实现微电网变换器稳定高效运行，提出可编程虚拟无源网络概念，通过控制方式实现虚拟电阻/电感/电容构成的无源网络，根据变换器运行需要实现虚拟无源网络结构在线实时编程，提高了微电网变换器的系统性能。理论分析和仿真结果验证了提出概念的可行性。
关键词：微电网，变换器，在线可编程，虚拟无源网络概念
1.引言
基于可再生能源的微电网是实现安全、经济、高效网络化供电的重要途径之一。其中，电力电子变换器是微电网系统的重要组成部分。与传统电网采用大惯性发电机不同，微电网中的电力电子变换器具有小惯性、高频特性和非线性特性，容易导致微电网系统性能下降，甚至有可能引发系统不稳定。理论上，在变换器侧加入合理的无源网络可以提高系统运行性能。比如，加入无源滤波器可以改善变换器输出的电能质量，加入电感可以减小瞬态冲击和环流[1]，加入电阻可以增大阻尼[2]，提高系统稳定裕度，避免系统出现不稳定。然而实际应用中，理想的无源网络是不存在的。比如，电阻和电容上存在等效串联电感，电感上存在等效串联电阻，此外，电阻存在损耗和发热问题，电感存在饱和[3]、电流过大时电感量明显降低等问题，这无疑降低了无源网络改善变换器系统运行的能力。为了解决该问题，本文提出可编程虚拟无源网络概念，通过控制方式实现虚拟电阻/电感/电容构成的无源网络，根据变换器运行需要实现虚拟无源网络结构在线实时可编程，提高了微电网变换器的系统性能。文中以微电网中DC/AC 变换器为例进行了理论分析和仿真研究，结果验证了提出概念的可行性和正确性。
2.可编程虚拟无源网络概念原理及实现
电阻、电感和电容是最基本的无源元件，将三者组合可得到无源网络。图 1 为典型的无源元件及无源网络原理图。实际应用中还存在由电阻/电感/电容组成的其他类型无源网络，此问题将在另一篇文章中深入探讨。
值得注意的是，图1 中无源元件及无源网络是理想的。实际应用中，理想的电阻/电容/电感是不存在的。比如，电阻/电容/电感受温度和工作环境等因素影响其阻抗值会发生变化，电阻/电容上存在等效串联电感，电感上存在等效串联电阻，电阻存在损耗发热问题，电感存在饱和、电流过大时电感量明显降低等问题。这将导致无源网络在应用中受到限制。文献[4]提出虚拟电容概念，通过控制方法实现理想电容特性。受文献[4]启发，本文提出可编程虚拟无源网络概念，通过控制方式实现理想无源网络。下面以微电网变换器为例，阐述可编程虚拟无源网络原理及实现。
图2 为简化的微电网原理图[5]。其中，可再生能源和储能系统通过DC/AC 变换器后经过输出滤波器和线路阻抗接入公共耦合点。微电网控制具有灵活性：电网正常情况下，微电网可以运行于并网模式。一旦电网出现故障，微电网可及时与电网断开而运行于孤岛模式，以维持本地网络电压幅值频率稳定，保证负载可靠供电。
下面以并网模式为例进行分析。当微电网并网运行时，DC/AC 变换器可工作于功率控制或电流控制模式[6-7]。为了便于分析，本文假设DC/AC 变换器工作于电流控制模式[7]。原理图如下：
图 3 中，L 为DC/AC 变换器输出滤波电感，PVPN为可编程虚拟无源网络，U 为DC/AC 变换器输出侧电压。当开关频率较高时，DC/AC 变换器控制模型可由图4 表示。其中，I*和I 分别为参考和输出电流，C(s)为电流控制器，D 为占空比，K 为PWM 增益，Z 为无源网络阻抗。
将图 4 中的控制模型按照回路传递函数乘积保持不变的原则进行变换，可得：
由图 5 可知，通过控制方式可以实现无源阻抗网络特性，根据需要调整参数Z 可实现无源网络参数在线可编程实时更新，由于该无源网络并非客观存在，故称之为可编程虚拟无源网络。实际应用中，可以根据变换器运行需要实现虚拟无源网络结构在线可编程，提高了微电网变换器的系统性能。比如，为了减小输出电流低频谐波和直流注入分量，可以采取以下无源网络I，如图6 所示。
值得注意的是，图6 中的无源网络在实际应用中存在一定问题。比如电感和电容杂散参数、阻抗值变化、微电网系统频率变化均会对无源网络的有效性产生负面影响。另一方面，采用虚拟无源网络可以有效解决上述问题，通过控制方式实现电感和电容理想特性，即使在微电网系统频率变化情况下，也可以通过控制方式实现虚拟无源网络参数的在线实时编程。为了验证上述方案的可行性，根据变换器运行需要进行理论分析和研究，具体目标要求是：消除变换器输出电流中的五次谐波。根据图6 设置5th fiLTEr 单元作为PVPN 串联至变换器输出侧(见图3)。根据图 5 可得系统传递函数如下：
根据式(2)可知，变换器输出电流I (s)与参考电流I* (s)、变换器输出侧电压U(s)有关。图7 给出输出电流与两个变量之间的频域分析，可以看出，传统控制方案在五次谐波(250Hz)处系统幅频特性不为0，这意味着电流参考I* (s)和输出侧电压U(s)中的五次谐波将通过系统闭环控制反映在输出侧，导致变换器输出电流中含有五次谐波。另一方面，提出的PVPN 方案在五次谐波(250Hz)处系统幅频特性约为0，这意味着即使电流参考I* (s)和输出侧电压U(s)中均含有五次谐波，通过系统闭环控制将被完全衰减。因此变换器输出电流中不含五次谐波，实现了上述变换器的运行要求。
下面分两种情况对上述方案可行性进行仿真研究。首先评估电网电压含五次谐波情况下变换器输出电流的波形质量。设置0.08s 变换器输出侧电压U 出现五次谐波，如图8a 所示。和上文理论分析一致，由于传统控制方案在五次谐波(250Hz)处系统幅频特性不为0(见图7b)，导致输出侧电压U 中的五次谐波通过系统闭环控制反映在输出侧，因此变换器输出电流中含有五次谐波。另一方面，采用PVPN 方案时，由于虚拟无源网络的滤波作用，五次谐波被完全抑制，变换器输出电流中不含有五次谐波，实现了变换器预期的运行要求。
图8 对电网电压含有五次谐波情况下的控制方案进行评估。实际应用中，变换器参考电流中同样可能存在低频谐波。由于并网电流频率和相位由锁相环输出决定，锁相环误差[8]不可避免的影响电流参考，导致参考电流中出现低频谐波。为了验证本文方案的有效性，在变换器参考电流中加入五次谐波，仿真结果如图9 所示。
根据图 9 可知，和上文理论分析一致，参考电流中含有谐波时，传统控制方案在五次谐波(250Hz)处系统幅频特性不为0(见图7a)，导致参考电流中的五次谐波通过系统闭环控制反映在输出侧，因此变换器输出电流中含有五次谐波。另一方面，采用PVPN 方案时，由于虚拟无源网络的滤波作用，五次谐波被完全抑制，变换器输出电流中不含有五次谐波，实现了变换器预期的运行要求。值得注意的是，上述仿真只针对五次谐波进行研究。实际应用中，还可以根据变换器运行要求在线实时加入其它无源网络(见图1 和图6)，此外，当系统频率变化时，可以通过锁相环实时更新无源网络参数，保证滤波器特征频率跟随系统频率变化实时更新，实现虚拟无源网络在线可编程。
4.结论
本文关键字：网络 其他电源技术，电源动力技术 - 其他电源技术
