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。