微电网变换器可编程虚拟无源网络原理及分析

摘要：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。
关键词：微电网；变换器；可编程虚拟无源网络

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。