基于可再生能源丰富混合微电网中谐波与电压不平衡抑制的多目标PQI自适应虚拟阻抗策略

《Processes》：A Multi-Objective PQI-Based Adaptive Virtual Impedance Strategy for Harmonic and Voltage Unbalance Mitigation in Renewable-Rich Hybrid Microgrids

　　

随着并网变流器接口的可再生能源渗透率不断提高，现代微电网的电能质量问题面临重大挑战，尤其是在非线性和不平衡负荷条件下。传统的虚拟阻抗策略可以改善变流器与电网的交互作用；然而，采用固定参数或基于单一电气量进行自适应的方案，在动态变化的电能质量条件下性能有限。本文提出了一种面向多目标电能质量指标的自适应虚拟阻抗（PQI-AVI）策略，适用于高可再生能源渗透率的并网型混合微电网。该监督性PQI结合了归一化的电压总谐波畸变率（THDv）、电压不平衡因子（VUF）和电压幅值偏差，以连续调节虚拟电阻和电抗。为防止阻抗过度自适应，由PQI生成的设定点进一步受到一个基于电网强度的小信号稳定性极限的约束，该极限推导过程中考虑了脉宽调制（PWM）延时动态特性。所提策略在MATLAB-Simulink?环境中，采用改进的IEEE 14节点混合微电网模型进行评估，该模型在非线性和不平衡负荷条件下的总运行需求为10 MW。与未补偿情况相比，所提控制器将THDv从7.84%降至2.11%，THDi从15.8%降至4.8%，VUF从2.50%降至0.80%，同时将功率因数从0.86提升至0.97。稳定性分析进一步表明，当显式考虑PWM动态时，允许的虚拟阻抗自适应范围取决于电网强度。这些结果表明，所提出的受稳定性约束的PQI-AVI框架能够在限制虚拟阻抗指令于数值识别的小信号稳定自适应区域内，实现协调的电能质量改善。

研究背景与动机

全球电力系统向低碳化转型加速了可再生能源在微电网中的部署。光伏（PV）、风力发电（WECS）和电池储能系统（BESS）正逐步取代传统同步发电机。然而，基于电力电子变换器的电源缺乏惯性且短路容量低，导致高可再生能源渗透率的混合微电网极易出现电压波动、谐波畸变、无功失衡和频率不稳定等电能质量问题。这些问题会降低设备性能、减少能效并威胁系统可靠性。现有的控制策略如主动电力滤波器、下垂控制和虚拟同步发电机虽有一定效果，但大多依赖固定的虚拟阻抗参数，无法在动态变化的运行条件下同时优化谐波抑制、电压平衡和功率因数等多个目标。因此，研究人员提出一种基于电能质量指标（PQI）的自适应虚拟阻抗（AVI）控制策略，旨在实现对多种电能质量问题的协同治理。

研究内容与结论

研究人员针对高可再生能源渗透率的混合微电网，开发了一套受稳定性约束的PQI-AVI控制框架。该框架通过实时监测电压总谐波畸变率（THDv）、电压不平衡因子（VUF）和电压幅值偏差，构建复合电能质量指标，并据此动态调整变流器的虚拟电阻和电抗。同时，通过包含脉宽调制（PWM）延时动力学的小信号分析，确定了依赖于电网强度的安全自适应边界，防止阻抗过度调节导致失稳。在MATLAB-Simulink^?平台上对改进的IEEE 14节点混合微电网模型进行仿真验证，结果表明，所提策略显著降低了谐波畸变和电压不平衡，提升了功率因数，并且在整个自适应范围内均保持了系统的稳定运行。该研究发表在《Processes》期刊上。

关键技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：首先，建立了一个详细的混合微电网模型，包括光伏发电系统（含最大功率点跟踪（MPPT）控制的DC-DC升压变换器和LCL滤波器的三相电压源变换器（VSC））、双馈感应发电机（DFIG）风电机组、锂离子电池储能系统（BESS）以及柴油发电机系统，所有模型均基于IEEE 14节点拓扑构建。其次，提出了基于电能质量指标（PQI）的自适应虚拟阻抗（AVI）控制算法，该算法将归一化的THDv、VUF和电压偏差加权组合成复合指标，并通过阈值映射生成连续的阻抗调节指令。最后，通过包含PWM延时动力学的广义特征值扫描，进行了小信号稳定性分析，确定了不同电网强度下（弱电网50 MVA、标称电网100 MVA、强电网200 MVA）的安全自适应边界。

研究结果

1. 引言

介绍了高可再生能源微电网面临的谐波、电压不平衡等电能质量挑战，指出固定虚拟阻抗方法的局限性，即无法同时应对多个动态变化的电能质量目标，从而引出了本研究的必要性。

2. 混合微电网配置与系统建模

详细描述了基于IEEE 14节点的10 MW级混合微电网架构，包括PV（750 kW和250 kW）、DFIG（1.6 MW）、BESS（400 kW和450 kW）和柴油发电机（7.5 MW）的集成。建立了各子系统的数学模型，如PV阵列的单二极管等效电路、DFIG的磁链方程、BESS的Shepherd模型和柴油发电机的摆动方程。定义了用于评估性能的电能质量指标：THDv、THDi、VUF和功率因数。

3. 基于PQI的自适应虚拟阻抗控制策略

首先阐述了传统虚拟阻抗控制的基本原理。然后，建立了包含AVI环路的VSC小信号输出阻抗模型。核心是提出了PQI，它由归一化的THDv、VUF和电压偏差按权重（0.4、0.4、0.2）组合而成。通过阈值（0.40和0.90）将PQI映射到自适应变量σ，进而连续调节虚拟电阻和电抗。为保障稳定性，进行了包含PWM延时的广义特征值扫描。结果表明，在标称电网（100 MVA）下，临界激活水平σ_crit为0.48069；在强电网（200 MVA）下，σ_crit降至0.11433，表明允许的自适应范围随电网强度增强而减小。最终，应用0.9的安全系数确定保守运行极限。

4. 仿真框架与案例研究

在MATLAB-Simulink^? R2026a中实现了所提控制策略，并在非线性和不平衡负载条件下进行仿真。设置了三种对比场景：无补偿、固定虚拟阻抗和所提PQI-AVI。

5. 结果分析与比较

仿真结果显示，与未补偿条件相比，所提PQI-AVI策略将THDv从7.84%降至2.11%，THDi从15.8%降至4.8%，VUF从2.50%降至0.80%，并将功率因数从0.86提升至0.97。这些指标均优于固定虚拟阻抗方案。稳定性分析证实，在所确定的保守自适应范围内，系统所有特征值均位于左半平面，确保了稳定运行。

结论与讨论

结论部分翻译：

本文提出了一种用于高可再生能源渗透率混合微电网的受稳定性约束的多目标PQI-AVI策略。所提出的监督性PQI综合了归一化的THDv、VUF和电压幅值偏差，以连续调节虚拟电阻和电抗。通过包含PWM延时动力学的小信号分析，推导出一个依赖于电网强度的稳定性极限，用以约束PQI生成的设定点，从而防止过度的阻抗自适应。在MATLAB-Simulink^?中对一个10 MW的改进IEEE 14节点混合微电网进行的评估表明，与未补偿条件相比，所提出的控制器将THDv从7.84%降至2.11%，THDi从15.8%降至4.8%，VUF从2.50%降至0.80%，同时将功率因数从0.86提升至0.97。稳定性分析进一步证明，当显式考虑PWM动态时，允许的虚拟阻抗自适应范围取决于电网强度。这些结果表明，所提出的受稳定性约束的PQI-AVI框架能够实现协调的电能质量改善，同时将虚拟阻抗指令限制在为所考虑的电网强度条件数值识别的小信号稳定自适应区域内。