基于虛擬同步發(fā)電機的新型光伏發(fā)電系統(tǒng)

張志剛，卓 放，王振雄

（西安交通大學電氣工程學院電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

基于虛擬同步發(fā)電機的新型光伏發(fā)電系統(tǒng)

張志剛，卓 放，王振雄

（西安交通大學電氣工程學院電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

指出傳統(tǒng)的虛擬同步機硬件結(jié)構(gòu)中，光伏發(fā)電設(shè)備與儲能設(shè)備通常在直流側(cè)連接后與逆變器相連，這種方案的控制較為復雜，缺少靈活性，不利于模塊化的應(yīng)用。提出一種新型的虛擬同步發(fā)電機硬件結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了基于電壓或電流型控制的光伏逆變器控制策略和基于虛擬同步機思想的儲能逆變器控制策略，系統(tǒng)整體體現(xiàn)虛擬同步機特性。仿真結(jié)果表明這種虛擬同步機控制策略可以有效抑制頻率波動，加強微網(wǎng)穩(wěn)定性，提升電能質(zhì)量。

微網(wǎng)；分布式發(fā)電；電能質(zhì)量；虛擬同步發(fā)電機；并網(wǎng)逆變器

虛擬同步發(fā)電機 （Virtual Synchronous Generator,VSG）是近年興起的新型逆變器控制方式。該方案希望逆變器具有與同步發(fā)電機相似的運行特性，在同步發(fā)電機機械方程的基礎(chǔ)上借鑒功頻控制器和勵磁控制器的工作原理設(shè)計控制策略，使逆變器成為虛擬的同步發(fā)電機組，從而具有更統(tǒng)一和兼容的逆變器控制接口。傳統(tǒng)光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用虛擬同步機控制的拓撲結(jié)構(gòu)，光伏電池組與儲能裝置結(jié)合在一起，經(jīng)過DC-DC變流器后通過逆變器生成交流電。然而，這種結(jié)構(gòu)卻有著不可忽略的缺陷。首先，將光伏陣列與儲能相結(jié)合的結(jié)構(gòu)難以應(yīng)用于模塊化生產(chǎn)。其次，一旦儲能系統(tǒng)發(fā)生故障，光伏逆變器也將無法正常工作。此外，光伏逆變器中DC-DC變換器的使用也增加了設(shè)計難度。因此，本文提出一種新型的針對光伏發(fā)電的虛擬同步機結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在并聯(lián)的光伏發(fā)電電源逆變器出口處配置儲能電池，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)省去DC-DC變換器，光伏陣列與儲能系統(tǒng)分開，各自連接到獨立的逆變器，從而與電網(wǎng)相連，減小了二者的相互關(guān)聯(lián)性。光伏逆變器追蹤并輸出最大功率，并運用同步發(fā)電機思想，通過控制儲能逆變器的輸出，使得整個光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對外體現(xiàn)虛擬同步發(fā)電機的特性，有利于保證微網(wǎng)的穩(wěn)定性。本文將詳述上述結(jié)構(gòu)的細節(jié)與控制策略，通過仿真對其可行性進行驗證。

圖1 新型虛擬同步機硬件結(jié)構(gòu)

1 虛擬同步發(fā)電機數(shù)學模型

微網(wǎng)逆變器模擬同步發(fā)電機控制模型的關(guān)鍵在于引入由轉(zhuǎn)子運動方程與定子電氣方程組成的同步發(fā)電機暫態(tài)模型。這里引入同步發(fā)電機的經(jīng)典二階數(shù)學模型，模擬同步發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量大、輸出阻抗高的優(yōu)點。在同步發(fā)電機中，勵磁調(diào)節(jié)器通過調(diào)節(jié)勵磁來調(diào)節(jié)其無功輸出與機端電壓。類似的，可以通過調(diào)節(jié)虛擬同步發(fā)電機的虛擬電勢來調(diào)節(jié)機端電壓與無功[1]。

傳統(tǒng)同步發(fā)電機通過對機械轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，來調(diào)節(jié)發(fā)電機的有功輸出。借鑒該原理，通過對虛擬同步發(fā)電機虛擬機械轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器有功指令的調(diào)節(jié)。首先，虛擬同步發(fā)電機的機械方程可表示為

式中，J0是同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量；ω是機械角速度；ωg是公共母線頻率；Tm和Te分別是機械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩；KD0為阻尼繞組以及負荷阻尼特性的阻尼系數(shù)。在極對數(shù)為1的條件下，機械角速度等于電角速度，此時同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動方程為

如果轉(zhuǎn)速ω在同步轉(zhuǎn)速點ω0附近，近似認為ω≈ω0，轉(zhuǎn)子運動方程可簡化為

其中，KD=ω0KD0為阻尼分量，J=ω0J0為慣性分量，Pm為機械功率，Pe為電磁功率。式（3）也即虛擬同步機的機械模型。

傳統(tǒng)電網(wǎng)中，針對負荷變化的快慢和變化幅度的差異，同步發(fā)電機會通過一次調(diào)頻和二次調(diào)頻特性來調(diào)整輸出有功功率。借鑒同步發(fā)電機的控制方法，設(shè)計虛擬同步發(fā)電機的頻率控制器，由式（4）表示。Pref是有功功率參考值；Dp是頻率調(diào)節(jié)器下垂系數(shù)；ωref是頻率參考值。該閉環(huán)系統(tǒng)中反饋值根據(jù)負荷的大小和變化情況，不斷對Pm調(diào)整，從而對輸出頻率有效控制。

從式 (3)可以看出，電源側(cè)或者負載側(cè)的功率變化都會導致功率的失衡，從而導致頻率的波動。傳統(tǒng)的逆變器是沒有轉(zhuǎn)動慣量的，所以暫態(tài)中頻率的波動會非常大，甚至危害電網(wǎng)穩(wěn)定性。而通過虛擬轉(zhuǎn)動慣量與阻尼的作用，當系統(tǒng)發(fā)生擾動時，逆變器可以減緩暫態(tài)過程，由此減小頻率的變化速率。由式（3）和（4）可以得到式（5）[2]。

由此，有功功率的控制由功頻調(diào)節(jié)器實現(xiàn)，包括同步發(fā)電機的機械模型與頻率控制器，通過引入的虛擬轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)有效模擬同步發(fā)電機特性[2-3]。

2 控制策略

通常對于光伏逆變器的控制分為兩種方式，一種為電流型控制模式（Current Control Mode，CCM），控制輸出電流，對外表現(xiàn)為受控電流源，在工業(yè)中具有更廣泛的應(yīng)用。另一種是電壓型控制模式（Voltage Control Mode，VCM)，比如VF控制或者下垂控制，控制逆變器的輸出電壓和頻率。一般來說，VCM受負載變動的影響更小，并且可在空載下運行，更利于微網(wǎng)的穩(wěn)定性[3]；而CCM的動態(tài)響應(yīng)更快，但是缺乏對電壓穩(wěn)定足夠的支持。無論是VCM還是CCM，在本文提出的模型下光伏逆變器都需實現(xiàn)以下功能：光伏逆變器輸出指令功率；光伏陣列追蹤最大功率點；穩(wěn)定直流側(cè)電容電壓。下文中將分別采用這兩種控制模式，對這些功能進行詳細分析。

2.1 最大功率跟蹤控制

最大功率跟蹤 （Maximum Power Point Tracking，MPPT） 是光伏發(fā)電的重要技術(shù)，實質(zhì)上是一個自尋優(yōu)過程，即通過控制端電壓或者其他物理量，使光伏電池能在各種不同的日照和環(huán)境條件下輸出最大功率。本文采用了MPPT諸多算法中常見的擾動觀測法。

2.2 電壓型控制模式

電壓型控制模式對于提升母線電壓穩(wěn)定性具有很大的好處。當逆變器直流側(cè)包含大容量的儲能器件時，常常采用下垂控制。此外，在最大功率點追蹤算法中，需要持續(xù)對電容電壓施加擾動，從而達到光伏陣列最大功率點電壓參考值。所以，在下垂控制的基礎(chǔ)上增加直流側(cè)電壓控制環(huán)來控制光伏的輸出功率，進而穩(wěn)定直流側(cè)的電容電壓。這種電壓型的控制模式如圖2所示，其中m是下垂系數(shù)。

2.3 電流型控制模式

光伏并網(wǎng)逆變器普遍采用電流型控制，可直接調(diào)節(jié)交流輸出電流相位和幅值。通過鎖相環(huán)跟蹤電網(wǎng)電壓相位使得逆變器輸出電流與公共母線相位盡量一致，通過調(diào)節(jié)電流幅值大小來控制逆變器向電網(wǎng)饋送功率大小[4]。

3 基于虛擬同步機的光伏發(fā)電系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的虛擬同步機結(jié)構(gòu)中，備用轉(zhuǎn)動慣量儲藏在與直流側(cè)相連的儲能結(jié)構(gòu)中，其可靠性與靈活性受到一定的限制。在本文提出的新型硬件結(jié)構(gòu)中，儲能逆變器直接連接交流側(cè)，轉(zhuǎn)動慣量由儲能逆變器的控制策略實現(xiàn)，光伏逆變器與儲能逆變器整體呈現(xiàn)虛擬同步機特性。為此，控制策略需做出一定改變，將光伏陣列輸出功率作為方程的有功功率參考值，從而得到式（6），其中ω是儲能逆變器輸出頻率；Ppv是光伏陣列輸出有功功率；Pvsg_out是光伏逆變器與儲能逆變器的整體作為虛擬同步機時的輸出有功功率。

4 仿真驗證

4.1 電壓型控制模式

電壓型控制模式下控制框圖如圖2所示。在并網(wǎng)狀態(tài)下，光伏逆變器采用電壓型控制模式，儲能逆變器用VSG控制，整體體現(xiàn)VSG特性。由于儲能結(jié)構(gòu)的特性是本文重點，為了簡化模型，這里使用理想電壓源來替代儲能裝置。表1列出了一些仿真的主要參數(shù)，為了驗證VSG的特性，仿真中采用了鎖相環(huán)得到逆變器輸出側(cè)端口以及公共端電壓的頻率響應(yīng)。另外，鎖相環(huán)的結(jié)果只用于觀察端口特性，對控制環(huán)路沒有影響。

圖2 電壓型控制框圖

仿真結(jié)果如圖3、4、5所示。在系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后分別用電源側(cè)和負載側(cè)的變化去驗證本文控制策略的可行性。首先在1 s，光伏陣列的外界環(huán)境條件發(fā)生變化，由此光伏的輸入功率最大功率點與最大功率隨之發(fā)生變化。之后在1.5 s發(fā)生負載的突變，負載側(cè)功率發(fā)生改變。擾動的具體參數(shù)如表1所示。

表1 仿真主要參數(shù)

VCM控制下的最大功率點追蹤結(jié)果如圖3所示，Vpv和Vpv*分別是直流側(cè)電容電壓與由MPPT算法得到的指令值。在t=1 s，光伏陣列最大功率點電壓和功率突變，最大有功功率從26 kW降到23 kW。大約1.2 s時，光伏陣列追蹤到新的最大功率點，輸出有功功率也追蹤至23 kW。1.5 s時，負載突變，由14 kW升至28 kW，直流側(cè)電容電壓也迅速減小電壓，釋放能量來減小暫態(tài)波動。

圖3 MPPT算法仿真結(jié)果

VSG的輸出頻率與有功功率如圖4所示，fpv是光伏逆變器輸出頻率；fst是儲能逆變器輸出頻率；Ppv_out是光伏逆變器輸出有功功率；Pst_out是儲能逆變器輸出有功功率；Pvsg_out是整體輸出有功功率。1 s時，由于光伏板輸出功率的突變，光伏逆變器頻率振蕩，振幅受VSG控制的抑制作用。f= 1.5 s,由于負載有功功率增加，儲能逆變器迅速增加輸出功率來減小頻率波動，進而穩(wěn)定母線電壓。之后，系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 虛擬同步機仿真結(jié)果

1.5 s后頻率的詳細變化過程如圖5所示。f_vsg是兩臺逆變器整體輸出端的頻率，f_grid是母線頻率，均由鎖相環(huán)得到?？梢园l(fā)現(xiàn)，由于缺少轉(zhuǎn)動慣量的作用，光伏逆變器輸出頻率的波動較為劇烈，相比之下由VSG控制下的儲能逆變器輸出頻率變化較為平緩，VSG整體的輸出頻率較為平緩地過渡到穩(wěn)定狀態(tài)，證明了文中所提出的硬件和控制結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)虛擬同步機特性。對于網(wǎng)側(cè)頻率，由于負載的變化，電網(wǎng)頻率初期波動明顯，之后回歸穩(wěn)定。仿真結(jié)果表明，本文提出的新型VSG結(jié)構(gòu)與控制策略可以有效地表現(xiàn)出VSG的特征，提升微網(wǎng)的穩(wěn)定性與電能質(zhì)量可靠性。

圖5 負載切換時頻率響應(yīng)

4.2 電流型控制模式

電流型控制模式下的控制框圖如圖6所示。簡化方式同VCM下相同，儲能逆變器用理想電壓源代替，忽略阻尼系數(shù)的影響。對于光伏逆變器交流側(cè)的并網(wǎng)電流的控制，這里使用鎖相環(huán)測得的公共母線電壓相位去控制電流相位。

圖6 電流型控制框圖

仿真結(jié)果如圖7、8所示。為了對比，在系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后采用的變化與VCM相同，在1 s時，光伏陣列最大功率點與最大功率變化，在1.5 s增大負載。

CCM控制下的最大功率點追蹤仿真結(jié)果如圖7所示，電路參數(shù)含義同前。在源側(cè)與負載側(cè)的變化下，直流側(cè)電容電壓迅速追蹤到MPPT指令值，振蕩過程非常微小。

圖7 MPPT算法仿真結(jié)果

VSG的輸出頻率與功率如圖8所示。光伏逆變器輸出電流相位與頻率追蹤公共母線電壓。同VCM下的結(jié)果，外界條件改變的擾動發(fā)生后，VSG控制策略下的儲能逆變器頻率振蕩更為平緩，兩臺逆變器的頻率迅速回到穩(wěn)態(tài)參考值。負載功率突變后，光伏逆變器依然按最大功率輸出并基本不受影響，儲能逆變器迅速增加輸出功率來應(yīng)對負載功率的增加，并穩(wěn)定母線電壓，由同步發(fā)電機的調(diào)頻特性曲線其頻率微幅減小。之后頻率振蕩回歸額定值，系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)。

圖8 虛擬同步機仿真結(jié)果

在轉(zhuǎn)動慣量的作用下，儲能逆變器的輸出頻率整體平緩變化，但相比于VCM，CCM下的頻率局部的微小波動更加明顯，整體作為虛擬同步機的輸出頻率振蕩也受到VSG控制的抑制，CCM控制下的VSG整體同樣具有優(yōu)良的VSG特性。

5 結(jié)論

本文針對虛擬同步發(fā)電機技術(shù)及其在光伏并網(wǎng)發(fā)電的應(yīng)用進行了研究，提出了一種針對光伏發(fā)電的虛擬同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的控制策略。這種方案將光伏逆變器與儲能逆變器獨立控制，各自通過逆變器與交流側(cè)連接，光伏逆變器通過電壓型或電流型控制模式追蹤其最大功率點，整體結(jié)構(gòu)通過文中所述的控制策略呈現(xiàn)虛擬同步機特性。仿真結(jié)果表明，本文提出的新型虛擬同步機硬件結(jié)構(gòu)可以有效地表現(xiàn)出虛擬同步機的特征，通過增加備用轉(zhuǎn)動慣量使得微網(wǎng)具有更好的暫態(tài)特性，有效提升微網(wǎng)頻率穩(wěn)定性與電能質(zhì)量。

[1] 蘇建徽,汪長亮.基于虛擬同步發(fā)電機的微電網(wǎng)逆變器 [J].電工電能新技術(shù)，2010（03）:26-29，43.

[2] 杜燕.微網(wǎng)逆變器的控制策略及組網(wǎng)特性研究 [D].合肥：合肥工業(yè)大學,2013.

[3] 王思耕.基于虛擬同步發(fā)電機的光伏并網(wǎng)發(fā)電控制研究 [D].北京：北京交通大學,2011.

[4] 劉鴻鵬，朱航，吳輝，等.新型光伏并網(wǎng)逆變器電壓型控制方法 [J].中國電機工程學報,2015(21):5560-5568.

A Novel Photovoltaic Generation System Based On Virtual Synchronous Generator

ZHANG Zhigang,ZHUO Fang,WANG Zhenxiong

（State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment,School of Electric Engineering, Xi'an Jiaotong University,Xi'an,Shaanxi 710049,China)

In the traditional hardware structure,photovoltaic generation equipment and energy storage device are integrated at DC-side and connected to the inverter,which is complicated to control,disadvantageous formodular applications and lacks flexibility. Therefore,this paper proposes a novel hardware structure of VSG,in themeantime designs the control strategy of photovoltaic inverter based on voltage-mode and current-mode control,and the control strategy of energy storage inverter based on VSG.The integral system presents the characteristics of VSG.The simulation results indicate that VSG control strategy could effectively suppress frequency oscillation,enhancemicro-grid stability and improve powerquality.

micro-grid;distributed generation;powerquality;virtualsynchronousgenerator;grid-connected inverter

TM615

B

1671-0320（2016）05-0054-05

2016-07-08，

2016-08-16

張志剛（1993），男，陜西府谷人，2015畢業(yè)于西安交通大學能源動力系統(tǒng)及自動化專業(yè)，從事微網(wǎng)穩(wěn)定性與逆變器控制的相關(guān)研究；

卓 放（1962），男，上海人，2001畢業(yè)于西安交通大學電氣工程專業(yè)，博士，教授，博士生導師，從事分布式電網(wǎng)電能質(zhì)量控制技術(shù)與大功率諧波抑制及無功補償技術(shù)相關(guān)研究；

王振雄（1993），男，陜西西安人，2014畢業(yè)于西安交通大學電氣工程與自動化專業(yè)，從事微網(wǎng)、交流器控制與電能質(zhì)量的相關(guān)研究。