微電網并網模式下多逆變器并聯耦合諧振的建模分析
隨著光伏發電、風電等分布式能源以及儲能單元通過逆變器接口大量接入微電網,使得微電網內部的電能質量問題愈發明顯,對微電網的安全與穩定運行也產生了很大影響。現有微電網主要運行在兩種模式:離網/孤島模式和并網模式。在孤島模式中,含分布式能源的逆變器一般通過下垂控制實現各獨立無互聯逆變系統的并聯運行;而在并網模式下,微電網逆變系統多采取功率或電流控制方案,實現新能源發電的并網跟蹤控制。由于并聯逆變器等效輸出阻抗之間、逆變器等效輸出阻抗與大電網阻抗之間的耦合效應,使得微電網逆變系統容易產生低諧波阻抗回路,造成特定次并網諧波電流的放大。為此,需要建立滿足多并聯逆變器等效耦合諧振模型,分析多逆變器并聯系統諧振峰與逆變器并聯數量的動態關系,并且尋找最優的有源阻尼控制方案。
1 微電網多逆變器并聯的耦合諧振模型在并網模式下,微電網中的并聯逆變器濾波輸出電流受三個因素的影響:自身參考電流、其他并聯逆變器參考電流以及電網電壓,因此,可以建立多逆變系統并網等效耦合電路模型。當n臺逆變器并網運行時,第m臺逆變器網側電流I2,m由以下這n+1項電流疊加構成:自身等效受控電流源輸出電流Φind,m Iref,m,n-1臺并聯等效受控電流源輸出電流Φpara,m,i Iref,i(i=1,2,…,m-1,m+1,…,n)和電網串聯導納電流Φseries,mUg。
2 分布式逆變器集群并網的諧振交互與諧振特性分布式逆變系統并網運行時,諧振交互問題是造成并網電流畸變率上升的主要因素。受逆變濾波控制方式的影響,諧振交互現象可劃分為:本征諧振和非本征諧振。前者是濾波系統交互固有的諧振現象;后者是由于控制方式的選取產生的。
并聯諧振是多臺逆變濾波系統交互產生的耦合諧振現象,存在一個本征固定諧振點和一個本征非固定諧振點。隨著并網逆變器數量的增多,前者的峰值表現為下降趨勢;后者的峰值頻率和幅值表現為頻率向低頻段遷移、幅值逐漸衰減的趨勢。串聯諧振是逆變濾波系統與電網阻抗之間的諧振交互現象,只存在一個本征非固定諧振點,且頻率和幅值隨著并網逆變器數量的增多而表現為頻率向低頻段遷移、幅值逐漸衰減。每臺逆變濾波器輸出電流受其他逆變濾波輸出電流的耦合,自身諧振多出了一個額外的本征固定諧振點。隨著并網逆變器數量的增多,本征固定諧振點的幅值表現為增長趨勢;而自身諧振的本征非固定諧振點的頻率和幅值表現為頻率向低頻段遷移、幅值逐漸衰減的趨勢。
3 有源阻尼方案及阻尼參數優化選取本系統采用并聯逆變器的電容電流反饋阻尼來實現。按KC比例反饋的有源阻尼方案可以等效為在濾波電容兩端并聯了虛擬電阻。可以采用圖示法分析電容電流反饋系數KC取值范圍對各本征諧振峰值的抑制能力。
2 臺逆變器并聯運行(n=2),耦合諧振現象最為嚴重,因此本文將以2臺等效逆變器并網運行為例。當KC取值為0時,并聯在濾波電容兩端的虛擬電阻阻值為無窮大,該虛擬并聯支路開路。此時,多逆變器并網系統存在嚴重本征諧振峰值:Φind,1在21次、35次諧波頻率的幅值響應分別為79%,130%;Φpara,1,2在21次、35次諧波頻率的幅值響應分別為68%,129%;Φseries,1在21次諧波頻率的幅值響應為96%。Φpara,1,2的2個諧振峰值頻率之間存在較為明顯的本征諧振帶,在設計濾波參數時需充分考慮多逆變器并聯的諧振交互影響。隨著KC取值的增大,各本征諧振峰值明顯衰減。當KC=25.1時,各本征諧振幅頻響應峰值降低至6%以下。
隨著KC繼續增大,各本征諧振峰值衰減趨于緩和,同時Φseries,1的13次諧振幅值響應有抬升趨勢,當KC=39.6時,13次諧振峰值已經小幅抬升至8.633%。另外,由于KC僅添加在ic的反饋通道上,i2閉環控制的準比例諧振單元增益不受KC取值的影響,故11次諧波及以下頻域的幅頻響應不受影響。采用電流比例反饋環節的有源阻尼控制方式可以實現對逆變器輸出電流的跟蹤控制環節(PR控制器)和有源阻尼控制環節的解耦設計。
4 有源阻尼參數優化對諧振抑制的影響分析與驗證通過仿真與實驗,給出了3臺逆變器并網運行時,第1臺逆變器網側輸出電流幅值由6A突增至12A時,第1臺和第2臺逆變器的網側輸出電流及并網點電壓暫態響應波形。當KC=5時(優化前),逆變器網側輸出電流的穩態諧波含量過大,總諧波畸變率(THD)達到9.2%,阻尼效果不佳;當第1臺逆變器網側輸出電流發生突增暫態時,不僅造成自身電流出現明顯的諧波放大現象,而且嚴重影響了第2臺逆變器的網側輸出電流質量,逆變器網側輸出電流存在明顯的耦合諧振。當KC=25.1時(優化后),第2臺逆變器網側輸出電流諧波含量明顯減少,THD僅3.9%,電流暫態過程的耦合諧振強度明顯減弱。
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責任編輯:售電衡衡
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