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【技术前沿】逆变器控制策略——交流微电网的技术挑战
来源:电力系统自动化作者:曾正 李辉 冉立

所属频道: 微电网  关键词:微网 逆变器 谐波

杭州国瑞输配电网讯:1交流微电网逆变器的技术挑战


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交流微电网中的逆变器面临来自时间、空间和频率三个维度的技术挑战。首先,从时间维度来看,微电网可以工作于并网模式或离网模式,逆变器在不同模式下的高效运行控制、以及不同模式之间的平滑切换控制都是关键的技术挑战。其次,从空间的维度来看,微电网中存在多台逆变器,这些逆变器之间的交互耦合、协调控制也是微电网的一大技术挑战。最后,从频率的维度来看,逆变器的控制带宽非常高,足以应对微电网电压和电流所面临的常见电能质量问题。现有逆变器的研究主要集中在基波功率的控制,对于负序分量、5/7/11/13等低次谐波、高次谐波谐振、开关纹波等频率点处的研究还有待进一步的拓展。

图1微电网多个维度的技术特征

2单台逆变器的控制策略

对于单台逆变器的控制,又从基波功率控制和谐波功率调节两个角度进行划分。

基波功率控制主要涉及:

离网控制策略:主要是V-f控制或下垂控制,及其各种改进控制方案。

并网控制策略:逆变器的输出功率可以表示为

由此,并网控制策略,主要分为直接功率控制(直接控制S)、直接电压控制(直接控制Uo)、直接电流控制(直接控制I1)。本文在此基础上,进一步提出直接阻抗控制(直接控制Zf)的概念。对于应用最多的直接电流控制,定量分析了逆变器侧电流(i1)反馈和电网侧电流(i2)反馈控制对系统稳定性的影响。

运行模式的切换控制策略:已有一些基于d-q轴电压控制和锁相环等的方法,还有待进一步的研究。

图2并网逆变器电压电流相量之间的关系

谐波功率调节主要涉及:

开关纹波的抑制:L、LC、LCL、LLCL等滤波器的优化设计和集成。

谐波谐振的抑制:各种无源阻尼和有源阻尼控制。

谐波和负序电压抑制:增强型数字锁相环。

本地谐波负荷电流补偿:多功能并网逆变器。

3多台逆变器的协调控制

3.1集中控制

微电网是一种特殊的电网,逆变器型分布式电源可以等效为电网中的同步发电机,但逆变器不具有转子动能,因而普遍缺乏惯性。因此,在微电网中需要配置一定容量的储能,来实现负荷动态过程中的能量平衡。这里的储能可以直接安装在每个分布式单元的直流侧,也可以通过逆变器连接到交流母线。若将储能配置到每个逆变器的直流母线,在失去任何一个逆变器单元时,都可以保证N-1可靠性。但是,这种对等的控制策略中,仅使用了同步发电机的下垂控制策略,类似于同步发电机的一次调频控制,是一种有差调频,在负荷动态扰动后,微电网的频率会偏离额定值。因此,进一步引入了传统电网中的二次调频控制和三次调频控制或称自动发电控制。在对等控制(一次控制)完成动态调节后,通过二次调频控制重新调整并网逆变器的有功和无功指令,保证微电网的频率和电压为额定值,其功能类似于微电网中心控制器(Micro-GridCentralControl,MGCC)的协调调度控制功能。此外,通过控制微电网和配电网之间联络线的功率,可以控制微电网注入电网的有功和无功功率,实现微电网的优化、经济运行,类似于同步发电机的自动发电控制(AutomaticGenerationControl,AGC),也称为三次控制,这与配电网的管理功能相对应。

3.2分散控制

为了提升本地控制器的控制自由度和自治能力,出现了基于代理(Agent)的微电网分散控制策略,或称为基于多代理系统(Multi-AgentSystem,MAS)的控制策略。在MAS中,每一个逆变器的本地控制器都是一个Agent,包括本地可控负荷和MGCC也都是不同属性和功能的Agent。通过这些Agent之间的通信和协调,即可有目标地完成微电网的各种优化控制和辅助服务。

相对于集中控制,MAS的优势在于:

1)本地控制器的Agent可获取周围其他逆变器、负荷的状态和运行信息。

2)对数据通信的要求低。

3)系统的开放性强。分散控制可以实现即插即用的功能。

通常,当微电源和负荷属于同一个主体,或者属于同一运行商的小尺度微电网时,采用集中控制更加合适。相反,分散控制更加适合于微电源属于不同的主体,微电源的运行除发电外还有诸多控制目标和服务的情况。

4技术展望

1)并网逆变器输出阻抗是不受控的,会因阻抗问题而引发一些特殊的稳定性问题,譬如谐波谐振等。为此,若能直接控制逆变器的输出阻抗,即可很好地解决微电网运行控制中遇到的若干技术难题。逆变器的阻抗与微电网系统的稳定直接相关,研究单台逆变器的输出阻抗特性,以及分析多台逆变器阻抗之间的稳定判据,具有重要的意义。此外,研究一些逆变器输出阻抗的重塑方法,提升微电网系统的稳定也具有十分重要的研究价值。

2)已有部分研究初步揭示了交流微电网变流器之间的谐波谐振的数学物理机理及其抑制措施,但是如何从微电网众多逆变器中识别出参与谐波谐振的变流器,对于微电网的安全稳定运行具有重要的研究价值和应用前景。此外,为了抑制谐波谐振,除了可以利用可再生能源并网逆变器之外,还可以利用仅针对谐振频率处进行控制的“有源阻尼器”加以有效应对。

3)针对交流微电网多台逆变器的控制,一些全新的协调运行措施或机制还有待进一步地深入挖掘和探索发现,例如,采用基于虚拟振荡器的控制等。虚拟同步发电机技术作为一种能并网运行,也能离网运行的控制方案,在单台逆变器的控制方面显示出了诸多优越性能。但是,多台虚拟同步电机之间的协调控制,以及虚拟同步电机与传统同步电机之间的协调运行都还有待进一步研究。

4)微电网中逆变器的出现为其运行和控制提供了全新的自由度,因此,可以期待逆变器能为微电网的诸多技术问题提供全新的解决途径。多功能并网逆变器的概念为其发展提供了一条可以借鉴的道路。但是,一些新的附加辅助功能还有待挖掘。此外,如何优化地协调多功能并网逆变器的诸多辅助服务功能同样值得进一步的深入研究。

5)孤岛检测是逆变器和微电网所面临的一项特殊问题,单台逆变器的孤岛检测近来得到了很好的解决,但是含多台变流器的微电网的孤岛检测还有待进一步的研究。

6)微电网逆变器一般配备有锁相环用以保持和电网的同步。微电网中大量逆变器改变了传统以同步发电机为主的电网结构,给系统的稳定、运行和控制带来了巨大的差异。因此,有必要深入研究逆变器锁相环的数学物理本质,及其与微电网稳定和控制之间的内在联系。同时,研究微电网中多个变流器通过锁相环相互耦合的内在机理,对于研究微电网的稳定具有重要的价值。

7)微电网变流器具有非常快的暂态过程,几乎没有惯性,给电网稳定带来了一定的挑战。尤其是在离网运行模式下,新能源输出功率的波动性大,在变流器没有足够旋转惯量的情况下,微电网的频率波动较大。值得指出的是,微电网中的风力发电机本身具有惯性,只是通过变流器的阻隔后,部分甚至完全失去了惯性。通过在变流器的直流侧引入储能,并通过灵活的控制策略,可以在变流器合成出虚拟的惯量特性,增强系统的频率稳定性。分析变流器惯性缺失的内在机理,以及惯性的修复控制策略具有重要的意义。

8)微电网靠近负荷末端,单相负荷、小功率光伏/风电机组等以单相的形式接入微电网,使得微电网不平衡问题突出,针对微电网不平衡的应对及解决方案,具有重要的研究价值,负荷均衡化具有重要的研究前景。已有大量的研究关注到微电网电源中所配置的逆变器所具有的调节能力,出现了具有多种电网辅助服务功能的变流器。但是,微电网中负荷侧变流器的可控性和可调节能力还关注不多,随着越来越多的负荷采用变流器接入电网,微电网负荷侧的调节自由度还有待进一步的深入开发。同时,在微电网重要负荷的高质量供电调节控制方面,电气弹簧(ElectricalSpring)技术也引起广泛的关注。将重要负荷通过电气弹簧连接到微电网母线,抑制因新能源发电引起的微电网电压波动,保障对该类负荷的高品质供电。

9)微电网中聚集了大量的分布式电源,这些电源改变了微电网的短路特性,遮蔽了传统配电网中断路器的开断能力,因此有必要针对微电网应用场景的不同,深入研究一些软开断装置或者故障限流装置。在此应用背景下,具有柔性开断能力的软开点(SoftOpen-Points,SOPs)技术,具有故障限流能力的固态限流器具有重要的研究前景。

10)碳化硅(SiC)等宽禁带的新型电力电子器件以其优异的性能,给微电网带来了崭新的机遇。如,新型电力电子器件相对于Si器件具有更高的开关速度,提高器件开关频率,可以相应地提高控制器的带宽,提高系统的动态性能;同时,该类器件还具有更低的损耗,可以进一步提高变流器的功率密度。针对新型器件在微电网变流器中的应用,同样也面临诸多亟待解决的技术挑战。又如,新型电力电子器件的建模(包括物理模型、行为模型和电路模型)、高频场合下应用设计与应对(寄生参数等)、功率器件的新型集成封装技术等。

11)在完成单个微电网不同运行模式的控制、电能品质的控制之后,还需要进一步研究多个微电网之间的互联与互动,包括多微网的设计、优化运行控制技术等。此外,微电网也可以看作是能源互联网环境中的一个能量个体,能量分配的电力路由器和故障隔离的固态限流器是能源互联网的两大关键技术。研究微电网及其变流器与能量路由器、固态限流器之间的优化设计、协调运行、深度互动,对于提升多能源的相互渗透和优化集成具有重要的意义。此外,微电网中逆变器的最大功率跟踪、调制等也是其控制的重要组成部分,都还有待进一步的研究和发展。


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