虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)及其在光儲(chǔ)微電網(wǎng)中的應(yīng)用

陶銀正蒲道杰毛福斌

（1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，合肥 230061；2.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009）

虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)及其在光儲(chǔ)微電網(wǎng)中的應(yīng)用

陶銀正1蒲道杰1毛福斌2

（1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，合肥 230061；2.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009）

為了提高變電站站用電系統(tǒng)的供電可靠性，針對(duì)基于虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的儲(chǔ)能逆變器及其在光儲(chǔ)微電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。介紹微網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和不同工作模式，設(shè)計(jì)微網(wǎng)各個(gè)子系統(tǒng)的參數(shù)，建立基于虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）控制策略的儲(chǔ)能逆變器數(shù)學(xué)模型，分析VSG并網(wǎng)和孤島兩種控制模式及其之間的切換。針對(duì) 500kV河瀝變電站光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)，利用其中100kVA儲(chǔ)能逆變器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證VSG控制策略的可行性與有效性。

微電網(wǎng)；儲(chǔ)能逆變器；虛擬同步發(fā)電機(jī)；可靠性

微電網(wǎng)是指由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)或孤島運(yùn)行[1]。儲(chǔ)能逆變器作為微電網(wǎng)的重要組成部分，可以滿足微電網(wǎng)多樣化的用電需求，可以作為不間斷電源，增強(qiáng)局部供電的可靠性，支持本地頻率和電壓；還可以克服微網(wǎng)慣性小、抗擾動(dòng)能力弱的問(wèn)題，對(duì)微網(wǎng)的穩(wěn)定控制和電能質(zhì)量的改善起到關(guān)鍵作用。作為一種新的儲(chǔ)能逆變器控制方案，虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注[2-4]。和下垂控制相比，VSG通過(guò)模擬同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，不僅可以更好地支撐微網(wǎng)的頻率，還可以實(shí)現(xiàn)多逆變器的并聯(lián)組網(wǎng)運(yùn)行，改善了微網(wǎng)的運(yùn)行性能。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于微電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)及其研究成果的集中驗(yàn)證和展示主要集中在示范工程項(xiàng)目[5-6]，既有安裝在邊遠(yuǎn)地區(qū)、海島孤網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)，也有與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)。示范工程對(duì)微電網(wǎng)的研究和應(yīng)用均具有重要的意義。然而，微電網(wǎng)示范工程由于供電環(huán)境復(fù)雜、運(yùn)行模式多樣，在保證供能的基礎(chǔ)上更多的關(guān)注能量綜合控制、多微電源協(xié)調(diào)控制等。對(duì)于微電網(wǎng)運(yùn)行模式的分析和相關(guān)控制策略的研究較少或受容量限制不具備代表性和借鑒性。另外，基于微網(wǎng)系統(tǒng)的高壓變電站站內(nèi)用電系統(tǒng)不間斷供電應(yīng)用以及相關(guān)工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證較為缺乏。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文針對(duì)500kV河瀝變電站光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，給出了微網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和不同工作模式，設(shè)計(jì)了微網(wǎng)各個(gè)子系統(tǒng)的參數(shù)，建立了基于虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）控制策略的儲(chǔ)能逆變器數(shù)學(xué)模型，分析了VSG并網(wǎng)和孤島兩種控制模式及其之間的切換。利用其中 100kVA儲(chǔ)能逆變器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證VSG控制策略的可行性與有效性。

1 微網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作模式

1.1 微網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文中微網(wǎng)系統(tǒng)主要由4個(gè)子系統(tǒng)組成，包括光伏子系統(tǒng)（電池板、匯流箱、光伏逆變器等），儲(chǔ)能子系統(tǒng)（蓄電池組、直流配電柜、儲(chǔ)能逆變器等），配電子系統(tǒng)（交流切換配電柜等）和能量管理與監(jiān)控子系統(tǒng)（通信柜、通信線路、監(jiān)控終端等、MEMS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)），如圖1所示。

圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.2 微網(wǎng)系統(tǒng)的工作模式

根據(jù)斷路器KM1和KM2的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)，微網(wǎng)系統(tǒng)主要工作在以下3種模式。

1）離網(wǎng)運(yùn)行：儲(chǔ)能逆變器工作在VSG控制模式，建立交流電壓，支撐交流母線，光伏逆變器工作在MPPT控制模式，儲(chǔ)能逆變器和光伏逆變器輸出交流側(cè)并聯(lián)，組建交流母線微網(wǎng)系統(tǒng)，如圖2所示。此時(shí)，光伏單元發(fā)電優(yōu)先供給本地負(fù)荷消納，多余的電量存儲(chǔ)到儲(chǔ)能單元；當(dāng)儲(chǔ)能單元電量已充滿時(shí)，限制光伏單元發(fā)電功率或進(jìn)行關(guān)機(jī)，保證功率平衡。

圖2 離網(wǎng)運(yùn)行示意圖

2）并網(wǎng)運(yùn)行：儲(chǔ)能逆變器工作在P/Q控制模式，光伏逆變器工作在MPPT控制模式，儲(chǔ)能逆變器和光伏逆變器輸出交流側(cè)并聯(lián)到電網(wǎng)，如圖3所示。此時(shí)，光伏功率大于負(fù)載功率，負(fù)荷由光伏單元供電，同時(shí)多余電量通過(guò)儲(chǔ)能逆變器給儲(chǔ)能單元充電。當(dāng)儲(chǔ)能單元電量充滿，光伏逆變器處于限功率模式運(yùn)行（針對(duì)電網(wǎng)不可逆流）或多余電量向上一級(jí)電網(wǎng)輸送。光伏功率小于負(fù)載功率，負(fù)荷由光伏單元和市電單元共同給負(fù)載供電或光伏單元和儲(chǔ)能單元共同給負(fù)載供電。

圖3 并網(wǎng)運(yùn)行示意圖

3）電網(wǎng)供電：儲(chǔ)能單元容量低時(shí)設(shè)定值，系統(tǒng)自動(dòng)切換到在電網(wǎng)供電模式，負(fù)荷由電網(wǎng)供電，如圖4所示。此時(shí)，光伏單元發(fā)電給儲(chǔ)能單元充電，負(fù)荷由電網(wǎng)供電。當(dāng)儲(chǔ)能單元電量恢復(fù)到設(shè)定值時(shí)，微網(wǎng)系統(tǒng)恢復(fù)到離網(wǎng)運(yùn)行。

2 微網(wǎng)子系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)

微網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括組件功率計(jì)算、光伏逆變器選型計(jì)算、蓄電池組容量計(jì)算和儲(chǔ)能逆變器選型計(jì)算。

圖4 電網(wǎng)供電運(yùn)行示意圖

1）組件功率計(jì)算：

式中，P0為太陽(yáng)電池組件的峰值功率，單位Wp；P為負(fù)載的功率，單位 W；t為負(fù)載每天的用電小時(shí)數(shù)，單位H；Q為連續(xù)陰雨期富余系數(shù)（一般為1.2～2）；η1為系統(tǒng)的綜合效率（一般為 80.68%左右）；T1為當(dāng)?shù)氐娜掌骄逯等照諘r(shí)數(shù)，單位H。

2）光伏逆變器選型計(jì)算：

式中，Pn為逆變器的容量，單位W；P為組件功率，單位Wp；cosθ為逆變器的功率因數(shù)（一般為1）；Q為逆變器所需的裕量系數(shù)（一般選1～1.1）。

3）蓄電池組容量計(jì)算：

式中，C為蓄電池組的容量，單位Ah；P為負(fù)載的功率，單位W；t為負(fù)載每天的用電小時(shí)數(shù)，單位H；V為蓄電池組的額定電壓，單位 V；K為蓄電池的放電系數(shù)，考慮蓄電池效率、放電深度、環(huán)境溫度影響因素而定，一般取值為 0.4～0.8，該值的大小也應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)成本和用戶的具體情況綜合考慮；η2為逆變器的效率；η3為蓄電池循環(huán)放電效率；T2為連續(xù)陰雨天數(shù)（一般為1～5天）。

4）儲(chǔ)能逆變器選型計(jì)算：

式中，Pn為逆變器的容量，單位VA；P為負(fù)載的功率，單位W；cosθ為逆變器的功率因數(shù)（一般為0.9）；Q為逆變器所需的裕量系數(shù)（一般選1.2～1.5），對(duì)于沖擊型負(fù)載該系數(shù)適當(dāng)放大一定裕量系數(shù)。

3 基于VSG控制的儲(chǔ)能逆變器

三相隔離型 VSG逆變主電路及其控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。本文采用基于VSG控制的電壓源結(jié)構(gòu)，主要包括：①VSG控制器，主要引入隱極同步發(fā)電機(jī)的二階機(jī)電暫態(tài)模型來(lái)模擬其轉(zhuǎn)子慣性和阻尼特性，并得到VSG輸出端口電壓給定值；②內(nèi)環(huán)控制器，通常采用電壓電流雙環(huán)設(shè)計(jì)，用以跟蹤VSG控制器輸出的電壓指令；③SVPWM發(fā)生和驅(qū)動(dòng)控制器。

圖5 三相VSG主電路拓?fù)浼捌淇刂平Y(jié)構(gòu)

VSG控制器在實(shí)現(xiàn)有功-頻率下垂控制和無(wú)功-電壓下垂控制的同時(shí)，還需模擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性和阻尼特性。針對(duì) VSG控制器中的有功-頻率控制而言，同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻特性以VSG調(diào)速器方程模擬，而同步發(fā)電機(jī)慣性及其阻尼特性則以VSG轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程來(lái)模擬。VSG調(diào)速器方程、VSG轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程[7]、無(wú)功-電壓下垂方程分別如式（5）、式（6）、式（7）所示。

式中，ωref、ωm和ωg分別為VSG給定角頻率、輸出角頻率和電網(wǎng)角頻率；m為有功下垂系數(shù)；Pref、Pm和Pe分別為VSG給定有功功率、機(jī)械功率和輸出有功功率；J=J0ωm為VSG慣性，D=D0ωm為VSG阻尼，J0、D0分別為 VSG慣性系數(shù)和阻尼系數(shù)；Qref和 Qe分別為給定無(wú)功功率、輸出無(wú)功功率；n為無(wú)功下垂系數(shù)；Uref和U分別為VSG給定端電壓幅值和輸出端電壓幅值；Δθ為預(yù)同步使能時(shí)疊加在相位角θ上的調(diào)節(jié)角度。在需要說(shuō)明的是，考慮到VSG僅工作于額定角頻率附近，使用純積分環(huán)節(jié)需要較長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間。為了優(yōu)化VSG的啟動(dòng)特性[8]，在VSG輸出角頻率處加入前饋量ωref。

圖6 VSG功率閉環(huán)等效控制框圖

VSG功率閉環(huán)等效控制框圖如圖6所示。不難發(fā)現(xiàn)，VSG機(jī)械功率Pm和輸出有功功率Pe之間的傳遞函數(shù)是一個(gè)典型的二階系統(tǒng)，對(duì)照典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：

對(duì)于VSG的內(nèi)環(huán)控制，本文采用電容電壓外環(huán)和電容電流內(nèi)環(huán)，用以穩(wěn)定交流電壓輸出和獲得較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)和整定參照文獻(xiàn)[8]，這里不再贅述。

VSG具有與同步發(fā)電機(jī)相媲美的外特性，既可并網(wǎng)運(yùn)行，也能自治地實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行。因此，當(dāng)電網(wǎng)切除后，VSG仍保持電壓源模式運(yùn)行為微網(wǎng)提供電壓支撐，因而可以自然地實(shí)現(xiàn)并/離網(wǎng)模式的無(wú)縫切換，無(wú)需進(jìn)行控制策略的切換。

而當(dāng)VSG離網(wǎng)運(yùn)行后，將VSG切換到并網(wǎng)運(yùn)行模式，由于與電網(wǎng)電壓存在幅值和相位差，可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的并網(wǎng)沖擊電流。因此，在接收到并網(wǎng)指令時(shí)，需要使能預(yù)同步控制器，當(dāng)實(shí)現(xiàn)VSG輸出電壓與電網(wǎng)電壓之間的幅值和相位同步時(shí)切換至并網(wǎng)模式。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證 VSG控制方案的有效性和優(yōu)越性，利用 500kV河瀝變電站光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)中100kVA儲(chǔ)能逆變器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 VSG系統(tǒng)參數(shù)

整個(gè)過(guò)程實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。從t0時(shí)刻，儲(chǔ)能逆變器獨(dú)立穩(wěn)定運(yùn)行于VSG控制模式，如圖8所示；t1時(shí)刻增大微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷，此時(shí)儲(chǔ)能逆變器 VSG獨(dú)立運(yùn)行，如圖9所示。由圖9可知，VSG能夠維持輸出電壓恒定，輸出電流經(jīng)過(guò)半個(gè)周波即達(dá)到穩(wěn)態(tài)，暫態(tài)過(guò)程短暫且平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)性能較好。

圖7 VSG切換實(shí)驗(yàn)波形

圖8 VSG獨(dú)立運(yùn)行時(shí)實(shí)驗(yàn)波形

圖9 VSG獨(dú)立運(yùn)行增大負(fù)載時(shí)實(shí)驗(yàn)波形

1s后直到 t2時(shí)刻為 VSG模式切換實(shí)驗(yàn)。VSG經(jīng)過(guò)預(yù)同步，幅值和相位差逐漸減小為零，切換至并網(wǎng)運(yùn)行。并網(wǎng)預(yù)同步過(guò)程如圖 10所示，VSG切換至并網(wǎng)模式運(yùn)行波形如圖11所示?？梢钥闯觯捎陬A(yù)同步的存在，VSG進(jìn)行模式切換時(shí)避免了暫態(tài)電壓電流沖擊，也避免了不同控制策略之間的切換，體現(xiàn)了VSG控制策略的優(yōu)勢(shì)。

圖10 VSG并網(wǎng)同步過(guò)程實(shí)驗(yàn)波形

圖11 VSG并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)實(shí)驗(yàn)波形

圖12為VSG控制與下垂控制的頻率響應(yīng)對(duì)比圖，不難發(fā)現(xiàn)，下垂控制的頻率在負(fù)荷增加的瞬間即發(fā)生跌落，而由于虛擬慣性的引入，VSG控制能夠有效抑制頻率的動(dòng)態(tài)跌落，提高了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

圖12 VSG與下垂控制頻率響應(yīng)對(duì)比圖

5 結(jié)論

本文主要介紹了高壓變電站內(nèi)光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作模式，詳細(xì)設(shè)計(jì)了微網(wǎng)各個(gè)子系統(tǒng)的參數(shù)，建立了基于VSG控制策略的儲(chǔ)能逆變器數(shù)學(xué)模型，分析了VSG并網(wǎng)和孤島兩種控制模式及其之間的切換。通過(guò)對(duì)500kV河瀝變電站光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)中100kVA儲(chǔ)能逆變器實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了VSG控制策略的可行性與有效性，有效提高了變電站站用電系統(tǒng)的供電可靠性。然而，對(duì)于整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的研究，如對(duì)多分布式電源的并聯(lián)控制、分布式電源接入與退出對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)的影響還有待進(jìn)一步研究。

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Virtual Synchronous Generator Technology and Its Application in PV-Storage Micro-grid

Tao Yinzheng1Pu Daojie1Mao Fubin2
(1.State Grid Anhui Electric Power Company,Maintenance Company,Hefei 230061;2.Hefei University of Technology,Hefei 230009)

In order to improve power supply reliability of substation power supply system,energy storage inverters based on virtual synchronous generator (VSG) technology and its application in PV-storage micro-grid is studied in this paper.The topology of micro-grid and its different working modes are introduced and the parameters of the subsystems are designed.The mathematical model of energy storage inverter based on VSG is built.The grid-connected and stand-alone control modes of VSG and the transitions between them are analyzed.Through PV-storage micro-grid system in 500kV River Li substation experiment results,using 100kVA energy storage inverters,the feasibility and effectiveness of the VSG control strategy is verified.

micro-grid;energy storage inverter;virtual synchronous generator (VSG);reliability

陶銀正（1987-），男，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)。