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提高大功率直流电源微电网稳定性的有源阻尼方法





为解决大功率直流电源微电网中恒功率负载大量接入引发的系统不稳定问题,提出一种基于并网接口变流器大功率直流电源电流前馈的有源阻尼控制方法。

 

研究大功率直流电源微电网的并网接口DC-AC变流器数学模型和适用于DC-AC变流器的有源阻尼方法的控制策略,建立大功率直流电源微电网的小信号数学模型。基于系统主导极点分布和阻抗匹配原则,分析恒功率负载对系统稳定性的不利影响及有源阻尼方法对系统稳定性的改善作用,并给出有源阻尼参数的设计原则。

 

仿真和实验结果表明,所提有源阻尼方法可以提高在恒功率负载高渗透率下的大功率直流电源微电网系统稳定性。

 

大功率直流电源微电网是将各类分布式电源、储能和负荷以大功率直流电源形式组合在一起的小型输配电网络,具有结构简单、转换环节少、能源利用效率高等特点[1,2]。相对于交流微电网,大功率直流电源微电网不存在频率、相位同步和无功环流等问题,且电力电子变换设备少,使得控制相对容易、系统可靠性高、电能品质较好,因此在国内外受到了日益广泛的关注[3,4]。

 

大功率直流电源微电网的一般系统结构如图1所示[5],其中并网接口变流器作为大功率直流电源微电网的电压控制单元,采用恒电压控制方式维持大功率直流电源母线电压稳定。直驱型风力发电机和光伏发电一般情况下采用最大功率跟踪策略以实现可再生能源最大化利用。储能单元可采取定电流(功率)方式平抑功率波动。

 

同时,大功率直流电源微电网中大量的负载为闭环控制的电力电子装置,可视为恒功率负载。恒功率负载的功率在大功率直流电源电压波动时依然保持恒定,具有负阻尼特性,大量地接入可能会引起大功率直流电源母线电压的不稳定甚至系统崩溃[6]。大功率直流电源母线电压是衡量大功率直流电源微电网功率平衡的唯一标准,为保证大功率直流电源微电网的稳定运行,就必须首先确保大功率直流电源母线电压的稳定[7,8]。

提高大功率直流电源微电网稳定性的有源阻尼方法

图1  典型大功率直流电源微电网系统结构

 

目前,提高大功率直流电源微电网稳定性的研究方法越来越多地趋向于有源方法和线性化分析。文献[9]基于大功率直流电源微电网的线性化稳态模型,推导出恒功率负载与大功率直流电源微网系统的稳定性边界的函数关系,并提出了基于反馈线性化的大功率直流电源微网系统全局稳定方法。

 

文献[10]针对并网接口变流器设计了基于大功率直流电源母线电压反馈的有源补偿器,应用到电压控制外环和电流控制内环中,消除了负荷扰动产生的大功率直流电源母线电压振荡甚至不稳定。文献[11]针对源侧大功率直流电源变流器,提出了虚拟电阻有源阻尼方法,有效减小了变流器与LC滤波电路的并联阻抗谐振峰值,提高了含多个恒功率负载的大功率直流电源微电网的稳定性。

 

文献[12]分析了下垂控制方式下影响大功率直流电源微网稳定性的因素,提出了基于低通滤波器的有源阻尼方法消除了大功率直流电源母线电压的高频振荡。文献[13]建立了孤岛型大功率直流电源微网的简化线性模型,并提出考虑大信号稳定性边界的大功率直流电源微电网设计流程。

 

现有研究多是通过改进大功率直流电源微电网中DC-DC变流器的控制方式来实现的,而基于DC-AC变流器的有源控制方法研究则相对较少。特别是当DC-AC变流器作为大功率直流电源微电网并网运行情况唯一的电压控制单元时,通过研究相应的DC-AC变流器有源控制手段来提高大功率直流电源微网的并网稳定性是很有意义的。

 

因此,针对恒功率负载高渗透率接入下大功率直流电源微电网的稳定性问题,本文首先建立大功率直流电源微电网并网接口变流器的数学模型,对DC-AC变流器提出了一种输出电流前馈的有源阻尼方法,从而建立具有简单拓扑结构的大功率直流电源微电网的小信号模型,理论分析恒功率负载不利于系统稳定性的机理及有源阻尼方法对系统稳定性的改善作用,同时给出有源阻尼控制器参数的设计原则,最后通过仿真和实验来验证该方法的有效性。

 提高大功率直流电源微电网稳定性的有源阻尼方法

图2 DC-AC接口变流器的控制框图


结论

本文对大功率直流电源微电网的并网接口变流器提出了一种输出电流前馈的有源阻尼控制方法,并通过小信号数学模型的理论推导,分析了恒功率负载不利于系统稳定性的机理,给出了阻尼参数的设计过程。理论推导、仿真和实验结果表明,恒功率负载过大会导致系统稳定裕度降低,甚至使系统变得不稳定,本文所提有源阻尼方法能够有效提高恒功率负载高渗透率接入下的大功率直流电源母线电压的稳定性,减弱恒功率负载对大功率直流电源微电网系统的负阻尼影响。

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