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学术简报︱考虑恒功率负荷特性的直流微电网分

  华北电力大学电气与电子工程学院、华北电力大学数理学院、国网江苏省电力公司的研究人员谢文强、韩民晓、严稳利、王超、袁栋,在2019年第16期《电工技术学报》上撰文指出,已有直流微电网的稳定性研究主要集中在各组成单元的控制器设计上,缺乏系统层面的稳定性分析。随着恒功率负荷的比例增加,其表现出的负阻特性对系统稳定性的影响不容忽视。

  基于此,该文建立下垂控制下适用于多储能换流器并联的直流微电网系统的等效模型,并在对系统的稳定性问题充分探讨的基础上,提出分级稳定控制方法。考虑系统的非线性,首先对系统可能存在的平衡点进行稳定性判定;其次分析恒功率负荷、系统参数等对稳定性的影响,并对不同系统参数条件下系统的带负载能力进行量化;最后根据理论分析的结果设计分级稳定控制策略,并结合直流微电网系统进行了仿真及实验验证。

  作为整合分布式能源的一种方式,直流微电网包含储能、微源、负荷、并网换流器等四个部分,且随着微电网规模的扩大,各组成部分之间及其内部的协调控制也逐渐趋于复杂,部分研究采用分布式分层控制实现各部分之间的协调运行,以维持母线电压稳定,但是协调控制参数选择并没有给出明确的原则或可取范围。

  目前关于直流微电网的稳定性研究主要集中在控制器层面小扰动问题的探讨上,研究方法一般基于阻抗比判据。但是,基于阻抗比判据的分析方法一般从单换流器系统进行建模,对于多换流器的系统需要进行大量的化简;其次阻抗比判据必须规定功率的流向,即电源侧输出功率,负载侧吸收功率,在实际的直流微电网中,储能系统、并网换流器单元均可实现功率的双向流动,无法明确区分电源的输出阻抗与负载的输入阻抗。

  有学者建立了直流微电网的小信号模型,根据阻抗匹配准则,采用增大系统阻尼的方法,改善系统的稳定性。有学者建立变换器的稳态模型并在稳态工作点附近线性化,根据零极点的分布研究小干扰信号对直流微电网稳定性的影响,但是该方法对电力电子设备控制器参数具有依赖性。

  而在实际中,直流微电网为复杂的电力电子系统,且负荷种类繁多、数量庞大(如一个家庭用户便有多种负荷),在控制器参数难以获知的情况下无法简化为单变换器的负荷系统与单源系统级联,因此依赖负荷控制器参数的级联系统模型来分析微电网系统的稳定性便不再具有可行性。

  有学者对直流微电网的电源、负荷进行建模,从功率的角度分析了系统的稳定性,为直流微电网的设计提供了参考依据。

  有学者详细分析了各单元控制方式,将微网内负荷视为恒功率负荷,并建立下垂控制方式下直流微电网的稳态模型。

  有学者将负荷归类为阻性负荷及恒功率负荷,并分析与验证了恒功率负荷对于微电网稳定性影响更大的结论,这对于稳定性分析问题中负荷模型的简化具有指导意义。

  有学者基于小信号模型分析了下垂控制方式下线路阻抗、滤波系数等对微电网小干扰稳定性的影响,并提出了改善小干扰稳定性的前馈控制策略。

  有学者在分析微电源的输出功率传输特性和下垂控制原理的基础上,针对低压微网中线路阻抗呈阻性的特点对交流微电网的小信号稳定性进行了探讨,对于下垂方式下直流微电网的稳定性分析具有借鉴意义。

  但是上述文献的研究多是通过控制环的设计改善微电网系统的稳定性,不能为系统级的稳定控制策略的参数设计提供一个量化参考。

  图1所示为直流微电网典型结构示意图。并网运行的情况下交流主网可为直流微电网提供功率支撑(以PMG表示),直流母线不会因功率不足而出现电压崩溃,但当并网换流器功率受限时,PMG为常数,其运行工况与孤网状态下PMG=0时相同。

  分布式电源采用最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)控制,稳态情况下表现为恒功率特性,以反向负荷PDG表示。其次,随着微电网规模的扩大,储能系统需采用多换流器并联运行,因此本文通过理论推导建立多储能换流器的并联运行时的等效模型,并基于该模型分析了影响微电网稳定运行的因素,对不同系统参数下系统可承受的最大恒功率负荷进行量化。

  本文最后基于理论分析设计了直流微电网分级稳定控制策略,从初始参数选择、虚拟电阻调节、负荷调整三个方面进行阐述,并进行了仿真及实验验证。

  考虑到直流微网中大量恒功率负荷的存在会降低系统阻尼进而影响系统稳定性,本文建立了微网系统等效模型,并对系统稳定性进行理论分析并设计了三级稳定控制策略,得出如下结论:返回搜狐,查看更多

  1)系统稳定性受电感、电容、虚拟电阻参数大小的影响。系统稳定性与C的大小正相关、与P及L的大小负相关;在一定工况条件下,r只有在一定范围内才可保持系统稳定,且在该范围内由小至大呈现先正相关后负相关的趋势。

  2)恒功率负荷的负阻特性会影响系统的稳定性,且该负阻大小与恒功率负荷的大小正相关,微电网系统若要稳定运行,其负荷功率需满足一定限值,且该限值受系统参数影响。

  3)改善微电网系统的稳定性可从r参数的选择、r参数的调整、P参数的调整三个层面来考虑。在r参数允许范围内,可通过在稳定范围内减小虚拟电阻来提升电压水平;当虚拟电阻调节受限时,可通过切除负荷的方式提升电压水平,保证部分负荷的正常供电。


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