微电网动态稳定性研究述评

2微电网动态稳定问题

微电网动态稳定是指微电网遭受小扰动后恢复到稳定运行状态的能力。微电网时刻经受着小的干扰，如微电网内风电机组、光伏阵列和其他可再生能源发电受气候和天气变化影响导致输出功率波动，负荷在小范围内切换变化以及部分参数的缓慢变化等。这些类型的小范围功率波动事件十分频繁，时刻影响微电网的运行状态。

由第1节分析可知，通过电力电子变换器接口接入微电网的分布式电源，其运行和控制较为灵活，当受到外部扰动时，由于惯性缺失或低惯量特性，更容易发生振荡失稳。因此，一个设计良好的微电网系统，首先必须是动态稳定的，否则，即使在稳态工况下，系统也无法正常运行。保证微电网在小扰动工况下动态稳定的鲁棒性，是确保微电网可靠运行的关键。

一般情况下，电力系统动态稳定性取决于初始运行状态、系统内各元件联系的紧密程度以及各控制装置的特性等。而影响微电网小干扰动态稳定性相关因素主要包括：微源与微源间的交互作用、微源与负荷间的交互作用、运行点变化、通信延迟、AC-DC网络交互作用和多微电网互联交互，如图3所示。

图3微电网动态稳定性归类与相应影响因素

2.1微源和微源交互

微源和微源的强耦合作用严重恶化的微电网动态稳定问题，可能引发系统低频振荡和高频振荡等问题。

2.1.1微电网低频振荡

在采用不依赖关键通信设施的分散式控制架构的微电网中，为了实现微电网分布式电源的即插即用功能，多个逆变器型分布式电源均采用图2中的电压源型电网支持控制策略，模拟传统同步发电机组“功频静特性”，共同作为主电源支撑微电网的频率和电压[21]。

多逆变器并联下垂运行时，微电网系统低频动态特性对逆变器最外环功率分配控制器P-f和Q-V下垂系数高度敏感[22]。在弱电网系统条件下，使用大下垂系数有助于提高微电源响应速度，改善系统动态特性，同时确保不同机组间无功功率分配精度，降低配电网电压波动对机组无功功率输出的影响[23,24]。然而，功率分配控制器中采用较大的下垂增益将降低微电网系统的全局稳定性，严重时将引发微电源间低频振荡现象。

在微电网整合多类型分布式电源时，电力电子接口型分布式电源与同步电机接口型分布式电源共存，电力电子接口型分布式电源的功率潮流控制策略将显著影响孤岛微电网的小干扰动态行为。研究表明，电力电子接口型分布式电源基于电压-无功下垂特性和电压调整的功率管理策略将导致过补偿问题；有功和无功功率控制器的控制参数有效改变微电网系统振荡模式的阻尼[11,25]。

当微电网进一步考虑异步接口型分布式电源的存在时，分布式电源间的交互问题将复杂化。在混合源微电网中引入异步型定速风电机组，将产生新的欠阻尼低频段特征根，并重塑系统振荡模态[26]。当电力电子接口型分布式电源（储能系统）采用电流源型电网支持控制策略间接参与微电网电压和频率调整时，为保证和提高微电网系统在扰动下的频率和电压动态表现而采用的大f-P下垂系数将产生定速风电机组、储能系统和柴油发电机组的功率交互，系统发生低频振荡失稳[27]。

由前述分析可见，大部分与电力电子型微源控制回路相关的稳定性问题由最外环功率控制器及相应的控制参数引起。

2.1.2微电网高频振荡

为了有效抑制高频谐波，微电网系统中的电力电子变换器接口型微源常通过LCL滤波器并网，且多呈并联结构。LCL滤波器能够通过较小的总电感取得单电感的滤波效果，功率密度更大，然而其存在固有的谐振问题。

在电力电子变换器并联运行的微电网系统中，频域分析结果表明LCL滤波器引入额外的正向和反向谐振尖峰[28,29]。当变换器数量、变换器电流环控制带宽以及微电网线路等效阻抗变化时，系统高频振荡分量可能被激发，导致微电网系统高频失稳[30]。

2.2微源与负荷交互

RLC负荷、电力电子接口型负荷和感应电机动态负荷在微电网中广泛存在，负荷动态与微电源动态的交互加剧微电网动态稳定特性的复杂度。

为简化微电网建模与分析的难度，目前大部分微电网稳定性分析研究中均采用RL阻抗对负荷进行简化[31]。在微电网中，RL恒阻抗负荷动态往往与电力电子变换器内环电流控制器、微电网动态网络共同影响微电网高频模式[22]。

部分现代负荷，如电机驱动、感应加热、背靠背变流器和电动汽车等均通过电力电子变换器接口接入微电网，该类型负荷为有源负荷。有源负荷的存在进一步使微电网电力电子化。先进电力电子接口中，为有效实现负荷/发电表现需求，控制器往往需要对控制变量进行严格调节。

然而，严格调节的变换器将产生负输入阻抗，导致端电压增加/减小时，吸收电流相应减小/增加。因而，该类负荷可用恒功率负荷（ConstantPowerLoad,CPL）进行建模[32]。通常地，恒功率负荷（CPL）由于负阻尼效应将使直流微电网和交流微电网失稳[33]。

典型地，配电网络中超过50%的电气负荷是感应电机负荷，计及78%的工业负荷，43%的商业负荷和37%居民用电负荷消耗[34]。为此，微电网中必须考虑感应电机负荷与微电源可能产生的交互失稳问题。

研究表明，微电网中电机负荷的引入将对系统产生新的欠阻尼特征根，并实际上影响系统特征根分布[35]。感应电机的存在也降低微电网系统关键机电振荡模式的阻尼[36]。由于大型电机转子振荡的弱阻尼特性，即使在DG低下垂增益情况下，也有可能导致功率振荡和失稳。

2.3运行点变化

风光等可再生能源发电输出功率和负荷功率的随机性与波动性使微电网稳态运行点时刻发生变化，并影响微电网系统的稳定裕度。为确保微电网在宽运行点范围内可靠运行，部分学者研究了运行点对系统阻尼的影响。

文献[36]研究了光伏-柴发微电网的小信号稳定问题，该研究表明随着光伏功率渗透率的提升，微电网系统关键机电振荡模式阻尼不断减小，高渗透率光伏功率可导致系统振荡。此外，文献[26]针对风柴储微电网，分析了风速波动与扰动导致系统主导特征根阻尼减小的小干扰稳定问题。

2.4通信延迟

融合集中控制和分散控制的优势，分层控制架构协调微电网一次控制、二次控制和三次控制，成为微电网控制架构的范例。通过二次控制实现的电压调整和频率恢复在信息采集和传输过程中存在固有的通信延迟，甚至出现数据丢失。为此，保证微电网系统控制策略对通信延迟的鲁棒性吸引了大量学者的研究[37,38]。

在工程应用中，常采用时延微分方程（DelayDifferentialEquations,DDEs）研究时延系统的稳定性。与忽略通信延迟可采用常微分方程描述的系统相比，时延微电网系统特征方程是超越的因而有无穷多的解，特征根求解更为复杂。文献[37,38]建立了考虑二次控制通信延迟的微电网小干扰动态模型，分析表明信号传输中存在大通信延迟将导致系统发散失稳。

2.5AC-DC网络交互

混合交直流微电网可有效减小交流微电网或直流微电网单独整合不同特性的微电源和负荷时产生的功率转换过程，在增加系统运行方式灵活性的同时，也增加了系统结构的复杂性。一般地，混合AC-DC微电网通过双向AC-DC变换器进行连接，电气耦合紧密，直流微电网和交流微电网间相互影响[39]。

文献[40]针对混合AC-DC微电网设计了协调控制策略，以维持并网和离网模式下负荷和可再生能源发电变化时混合微电网的稳定运行。文献[41]基于奈奎斯特导纳比判据研究了混合交直流网络的小干扰稳定问题，认为级联多变换器混合微电网系统可能违背稳定判据；此外，混合微电网中大量设置严格调节目标的电力电子变换器将产生增量式负输入导纳，并引起公共直流母线的失稳。然而，目前针对交直流混合微电网稳定的本质仍缺乏全面认识，亟待深入研究。

2.6多微电网互联交互

随着微电网的广泛应用，将地理位置毗邻的微电网互联，则构成微电网群系统。微电网群通过群内子微电网之间的能量互济和调度，以进一步增强彼此间的供电可靠性，提高可再生能源发电的渗透率[42]。

在多微电网系统中，小干扰稳定性问题可能是局部的，也可能是全局性的[43]。局部问题涉及多微电网系统中的一小部分，表现的局部振荡一般指区域内某一台微电源几台微源相对区域内其余机组的振荡，电气距离较小，机组间振荡频率较高。

全局小干扰稳定问题是由多微电网系统中大量微电源之间相互影响造成的；表现出的全局振荡是多微电网系统中不同子微电网的两组微电源群之间的交互振荡，电气距离较大，振荡频率一般较低。

微电网互联时，即使所有子微电网单独都是局部稳定的，但微电网间过度的交互可能导致功率摇摆，失去同步耦合[44]。此外，微电网群的互联点的选择很大程度上将影响形成的微电网群系统的稳定裕度，进而影响微电网群系统的动态表现。