微电网变换器可编程虚拟无源网络理论分析和仿真结果

     电力电子变换器是微电网系统的重要组成部分。为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(PVPN)概念，通过控制方式实现虚拟电阻／电感／电容构成的阻抗网络，根据变换器运行需要实现虚拟阻抗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该概念的可行性。
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阻抗网络可提高系统运行性能。然而实际应用中，理想的无源阻抗网络是不存在的。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、电流过大时电感量明显降低等问题，这无疑降低了无源阻抗网络改善变换器系统运行的能力。
    为了解决该问题，在此提出PVPN概念，通过控制方式实现虚拟电阻／电感／电容构成的无源阻抗网络，根据变换器运行需要实现虚拟阻抗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。并以微电网中DC／AC变换器为例进行了理论分析和仿真研究，结果验证了所提出概念的可行性和正确性。

2 可编程虚拟阻抗网络概念原理及分析
    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阻抗网络。图1为典型的无源元件及无源阻抗网络原理图，实际应用中还存在由电阻／电感／电容组成的其他类型无源阻抗网络。值得注意，图1中无源元件及无源阻抗网络是理想的，而实际应用中，理想的电阻／电容／电感是不存在的。文献提出虚拟电容概念，通过控制方法实现理想电容特性。在此提出PVPN概念，通过控制方式实现理想无源阻抗网络。下面以微电网变换器为例，阐述PVPN的原理及实现。

   
    图2为简化的微电网原理图。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(PCC)。微电网控制具有灵活性：电网正常情况下，微电网可运行于并网模式：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。为便于分析，在此假设DC／AC变换器工作于电流控制模式，原理图如图3所示。

   
    当开关频率较高时，DC／AC变换器控制模型可由图4a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4a中的模型按照回路传递函数乘积保持不变的原则进行变换，可得图4b所示模型。由图可知，通过控制方式可实现无源阻抗网络特性，根据需要调整参数Z可实现无源阻抗网络参数在线可编程实时更新，由于该无源阻抗网络并非客观存在，故称之为PVPN。

   
    实际应用中，可根据变换器运行需要实现虚拟阻抗网络结构在线可编程，提高了微电网变换器的系统性能。例如，为减小输出电流低频谐波和直流注入分量，可采取图5所示无源阻抗网络I。

   
    由图5可知，无源阻抗网络I阻抗为：
   
    值得注意，图5中的无源阻抗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阻抗网络的有效性产生负面影响。而采用虚拟阻抗网络可有效解决上述问题，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，也可通过控制方式实现虚拟阻抗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5次谐波。根据图5设置5次滤波单元作为PVPN串联至变换器输出侧。根据图4b可得系统传递函数为：
   

    由式(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6示出输出电流与两个变量之间的频域分析，可见，传统控制方案在5次谐波(250 Hz)处系统幅频特性不为零，这意味着i*(s)和u(s)中的5次谐波将通过系统闭环控制反映在输出侧，导致i(s)中含5次谐波。另一方面，提出的PVPN方案在5次谐波(250 Hz)处系统幅频特性约为零，这意味着即使i*(s)和u(s)中均含5次谐波，也会通过系统闭环控制被完全衰减。因此i(s)中不含5次谐波，实现了上述变换器的运行要求。

   

3 仿真研究
    下面分两种情况对卜述方案可行性进行仿真研究。首先评估电网电压含5次谐波情况下变换器输出电流的波形质量。设80 ms时变换器输出侧电压出现5次谐波，如图7a所示。可见，与理论分析一致，由于传统控制方案在5次谐波(250 Hz)处系统幅频特性不为零，导致输出侧电压中5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5次谐波。而采用PVPN方案时，由于虚拟阻抗网络的滤波作用，5次谐波被完全抑制，变换器输出电流中不含有5次谐波，实现了变换器预期的运行要求。

   
    图7a是对电网电压含5次谐波情况下的控制方案进行评估，在实际应用中，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，锁相环误差不可避免地会影响电流参考，导致参考电流中出现低频谐波。为了验证所提方案的有效性，在变换器参考电流中加入5次谐波，其仿真结果如图7b所示。可见，与理论分析一致，参考电流中含有谐波时，传统控制方案在5次谐波(250 Hz)处系统幅频特性不为零，导致参考电流中的5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5次喈波。而采用PVPN方案时，由于虚拟阻抗网络的滤波作用，5次谐波被完全抑制，变换器输出电流中不含有5次谐波，实现了变换器预期的运行要求。
    值得注意，上述仿真只针对5次谐波进行研究。实际应用中，还可根据变换器运行要求在线实时加入其他无源阻抗网络，此外，当系统频率变化时，可通过锁相环实时更新无源阻抗网络参数，保证滤波器特征频率跟随系统频率变化实时更新，实现虚拟阻抗网络在线可编程。

4 结论
    提出一种可编程虚拟无源网络概念，通过变换器反馈控制实现无源阻抗网络特性，根据变换器运行要求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系统性能。下一步工作将针对孤岛运行情况下变换器的可编程虚拟无源网络控制进行研究。

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