基于虛擬同步發(fā)電機的微電網(wǎng)控制策略研究

黎金英，艾 欣，鄧玉輝

（1.綏和工業(yè)學院，電氣與電子工程學院，越南 綏和 56000）

（2.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，華北電力大學，北京 昌平 102206）

（3.廣寧工業(yè)大學，電氣與電子工程學院，越南 廣寧 20000）

基于虛擬同步發(fā)電機的微電網(wǎng)控制策略研究

黎金英1，艾 欣2，鄧玉輝3

（1.綏和工業(yè)學院，電氣與電子工程學院，越南 綏和 56000）

（2.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，華北電力大學，北京 昌平 102206）

（3.廣寧工業(yè)大學，電氣與電子工程學院，越南 廣寧 20000）

針對微電網(wǎng)中的分布式電源出力的間歇性導致微電網(wǎng)頻率及電壓不穩(wěn)定的問題，通過建立虛擬同步發(fā)電機(VirtualSynchronousGenerator，VSG)控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，設計了一種基于頻率控制、電壓控制和功率控制的反饋控制器，并給出了相應的控制方法；通過理論分析分布式電源的頻率、電壓特性及其對微電網(wǎng)頻率、電壓穩(wěn)定性的影響，提出了能夠有效抑制分布式電源功率波動，提高微電網(wǎng)電能質(zhì)量的控制策略。仿真結(jié)果表明：VSG能穩(wěn)定地控制微電網(wǎng)頻率、電壓，具有很好的穩(wěn)態(tài)性。

虛擬同步發(fā)電機；微電網(wǎng)；頻率穩(wěn)定；電壓穩(wěn)定；控制策略

近年來，含有分布式電源（distributed generation，DG）的微電網(wǎng)并網(wǎng)運行對配電網(wǎng)影響的研究被學術界廣泛關注。從定義上說，微電網(wǎng)包含了多種電氣設備，諸如儲能裝置、保護裝置、負荷以及新能源發(fā)電電源等［1］。這些電力設備的協(xié)同運行將對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生一定的威脅［2］。這種影響與電力電子裝置的應用、獨特的負荷特性和控制方式密切相關。另外，微電網(wǎng)電能質(zhì)量問題與主電網(wǎng)不同，有著自身的特點，因此對微電網(wǎng)電能質(zhì)量的評估、分析與主電網(wǎng)有所不同。微電網(wǎng)有2種運行方式：并網(wǎng)運行和孤島運行。不論是并網(wǎng)運行還是孤島運行，都需要對各自子單元進行有效的電能質(zhì)量控制，其輸出電壓和頻率的幅值應在一定范圍內(nèi)，電能質(zhì)量要達到相應的標準［3］。傳統(tǒng)的逆變器下垂控制方式因缺少慣性，使得其暫態(tài)特性難以滿足電壓和頻率的質(zhì)量要求，虛擬同步發(fā)電機（Virtualsynchronousgenerator,VSG)技術是近年來發(fā)展起來的一種新型的逆變器控制技術，本文將其應用于微電網(wǎng)的電壓和頻率控制，從而對微電網(wǎng)的運行產(chǎn)生積極的影響。

文獻［4］提出的控制策略為下垂控制。該方法會產(chǎn)生電壓與頻率控制偏差。文獻［5］通過分段函數(shù)可以在一定程度上解決控制偏差，但是不能完全消除控制偏差的問題。文獻［6］介紹的方法使得微網(wǎng)電源參與電網(wǎng)的二次調(diào)頻，并分析了多微電源互聯(lián)的可能性，但又會產(chǎn)生環(huán)流問題。文獻［7］提出的下垂控制策略雖然改善了穩(wěn)態(tài)電壓控制偏差，但其缺點為沒有考慮線路阻抗對功率分配的影響。文獻［8］提出采用VSG控制策略，但是該方法依然沒有解決穩(wěn)態(tài)電壓控制偏差問題。

本文提出的VSG控制方法主要為電網(wǎng)的電壓和頻率控制?；赩SG的二階模型，提出了合理分配和協(xié)調(diào)各微電源有功和無功功率分配的方法。在并網(wǎng)運行方面，提出了一種平滑切換的控制策略，通過Matlab/simulink軟件對頻率、電壓進行了驗證。仿真結(jié)果表明，采用虛擬同步發(fā)電機控制微電網(wǎng)，運行的穩(wěn)定，能實現(xiàn)較好的動態(tài)頻率、電壓效果。

1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文研究中用到的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中包含交直流DC/AC逆變器、AC/DC整流器、負荷、直流母線、交流母線、VSG和分布式電源（如光伏、風力發(fā)電和儲能等）。

圖1微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，實際負荷由3種不同變化規(guī)律的變化負荷組成，負荷的變化會導致頻率（或者電壓）相應變化。根據(jù)文獻［9］可知，VSG的頻率和電壓控制可以實現(xiàn)系統(tǒng)有功和無功的自動分配。

2 虛擬同步發(fā)電機的基本原理

對同步發(fā)電機來說，可以通過控制機械功率來穩(wěn)定系統(tǒng)頻率，通過控制勵磁來穩(wěn)定機端電壓。虛擬同步發(fā)電機則必須比照同步發(fā)電機來模擬同步發(fā)電機特性。這種模擬主要體現(xiàn)在加入與同步發(fā)電機類似的頻率、電壓閉環(huán)控制，使得VSG在動態(tài)過程中可以模擬同步發(fā)電機的特性［10］。本文提出的VSG控制如圖2所示。

圖2虛擬同步發(fā)電機的微電網(wǎng)原理

圖2中包含基于IGBT的逆變器；Vdc為直流母線電壓；ia、ib、ic分別為逆變器的a、b、c三相輸出電流；Lfabc為濾波電感；Cfabc為濾波電容；Lgabc為濾波電抗；vgabc為并網(wǎng)點的三相電壓、igabc為并網(wǎng)點的三相注入電流、電壓進行檢測（vgabc、igabc）經(jīng)過低通濾波器（low pass filter，LPF），并饋入到控制系統(tǒng)中，可以指導VSG對系統(tǒng)的電壓和頻率進行調(diào)整。根據(jù)文獻［11］，虛擬同步發(fā)電機模擬二階同步發(fā)電機模型，可以模擬出大慣性和大阻抗的同步機，并且具有自同步的能力，該文獻中的設計可以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行的要求。VSG的動態(tài)特性模擬同步發(fā)電機的特性，其形式為

Rt——定子電阻；

Xs——同步電抗；

J——轉(zhuǎn)動慣量；

ω——電角速度；

ωn——機械角速度；

Tm、Te——分別為VSG的機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩；

Pm——機械功率；

Pe——電磁功率。

從式（1）、式（2）、式（3）可以看出，VSG可以模擬出同步發(fā)電機的動態(tài)特性。

3 基于VSG VSG的微電網(wǎng)頻率和電壓控制策略

3.1頻率控制器

微電網(wǎng)的頻率波動是由系統(tǒng)有功功率不平衡引起的。當負荷消耗的功率（Pe）和發(fā)電機的機械功率（Pm）發(fā)生不平衡時，系統(tǒng)的頻率將發(fā)生偏差［12］：

（1）同步發(fā)電機具有慣性和阻尼，因此當系統(tǒng)發(fā)生功率不平衡時，系統(tǒng)的頻率變化較慢，該過程屬于慣性響應范圍；

（2）當系統(tǒng)出現(xiàn)頻率偏差后，原動機按照頻率偏差進行頻率調(diào)整，調(diào)整過程由調(diào)速器完成，該過程為系統(tǒng)的一次調(diào)頻，一次調(diào)頻不能完全消除頻率偏差；

（3）通過主動使得電源增發(fā)功率，系統(tǒng)的頻率可以恢復到給定的水平，該過程為二次調(diào)頻，二次調(diào)頻可以實現(xiàn)有差的頻率條件，也可以實現(xiàn)誤差的頻率條件。

根據(jù)式（4）可知，有功功率指令PVSG與系統(tǒng)頻率變化率大體上成正比，因此，該控制只能虛擬慣性，使得頻率的變化速率較小，對系統(tǒng)的頻率恢復沒有貢獻。為了使得微電源參與系統(tǒng)頻率調(diào)整，虛擬同步發(fā)電機需要模擬一次調(diào)頻。該行為所對應的的有功功率指令可以表示為

kf——有功功率控制系數(shù)，為了保證一次調(diào)頻的品質(zhì)到達電網(wǎng)對頻率偏差范圍的要求，kf一般取值較大；

fref——頻率參考值；fg——電網(wǎng)頻率。

根據(jù)式（5）可知，當系統(tǒng)頻率降低時，逆變器將增發(fā)出一定量的有功功率，反之亦然。在dq坐標下，VSC輸出的瞬時有功功率p?和瞬時無功功率q?通過低通濾波后的值［13］為

式中：ωc——濾波器的轉(zhuǎn)折頻率；

s——拉普拉斯變換因子；

vd、vq——分別為va、vb、vc在dq坐標軸上的等效分量；

id、iq——分別為ia、ib、ic在dq坐標軸上的等效分量。

由式（5）、式（6）可得如圖3所示的頻率控制器框圖。

圖3頻率控制器

由圖3可知，常用比例控制器實質(zhì)上增大了系統(tǒng)的等效阻尼繞組系數(shù)，縮短了暫態(tài)時間，有利于抑制微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率的變化。當微電網(wǎng)運行穩(wěn)定時，頻率偏差Δf為零。

3.2電壓控制器

根據(jù)上述分析，VSG的勵磁電動勢指令可以由3部分構(gòu)成［14］：其一為空載虛擬電動勢E0，該值表示VSG空載時的機端電壓；其二為對應于無功功率控制的部分△EQ，該部分可以表示為

式中：Qref——并網(wǎng)逆變器的無功功率指令；

kq——無功功率控制系數(shù)；

Qo——逆變器輸出的無功功率，如式（7）所示。虛擬勵磁電動勢指令的第3部分對應于發(fā)電機端電壓控制單元的輸出△EV，可以表示為：

式中：kv——電壓控制系數(shù)；

Vref——并網(wǎng)逆變器發(fā)電機端電壓有效值的指令值；

V——并網(wǎng)逆變器發(fā)電機端電壓有效值的真實值。

城市總體規(guī)劃重點關注城市發(fā)展規(guī)模、經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模、城市用地布局、城區(qū)的給水和排水工程建設等，有些內(nèi)容是方向性和指導性的，因此使得城市總體規(guī)劃水資源論證與城市總體規(guī)劃的涉水內(nèi)容很難銜接。如果僅僅回答或論證城市總體規(guī)劃供水與排水又流于一般性的建設項目水資源論證，因此，尺度與深度不好掌握。

由上文可得虛擬同步發(fā)電機的勵磁電動勢為

由式（7）、式（8）、式（9）和式（10）可得如圖4所示的電壓控制器框圖。

圖4電壓控制器

由圖4可知，虛擬同步發(fā)電機輸出完整的無功功率，使得微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，當微電網(wǎng)運行穩(wěn)定時，電壓偏差△V為零。

3.3鎖相環(huán)（PLL）

鎖相環(huán)是一種根據(jù)反饋控制原理實現(xiàn)信號的頻率和相角θ同步的技術，在微電網(wǎng)系統(tǒng)中起著非常重要的作用。它利用派克變換將三相靜止坐標系下的電壓變換為dq坐標系下的兩相電壓，并通過控制q軸電壓分量為零來得到同步相角θ。

三相靜止坐標系下的電壓［15］可以表示為

已知派克變換為

則由式（11）和式（12）可知：

則式（13）可以寫成：

由式（14）可以看出，當α=θ時，PLL輸出的相位及其三相電壓中的a相電壓相位相同，同時vd=V,vq=0，則可以通過控制 vq=0來實現(xiàn)α=θ。鎖相環(huán)（PLL）基本原理如圖5所示。

圖5鎖相環(huán)原理

3.4電流控制器

在逆變器的控制系統(tǒng)設計中，傳統(tǒng)的PI控制器不能夠?qū)涣髁窟M行無靜差控制，為了實現(xiàn)對交流分量的無靜差控制，本文提出PR控制器的傳遞函數(shù)［16］，可以表示為

式中：kp——比例增益；

kr——諧振系數(shù)；

ωr——設定的諧振頻率。

由式（15）可知，PR控制器的傳遞函數(shù)，可將傳遞函數(shù)第二部分重新定義為

針對傳遞函數(shù)GR(s)，可得其輸入輸出之間的關系可以表示為

則可將傳遞函數(shù)GR(s)，分成2個簡單積分環(huán)節(jié)

結(jié)合式（15）、式（16）和式（18）可得到如圖6所示采用PR控制器的電流控制原理框圖。

圖6 PR控制器的電流原理

4 仿真分析

為了分析和研究VSG控制算法的實際控制效果，本節(jié)在Matlab/Simulink仿真平臺上搭建如圖7所示的分布式電源發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，并在此基礎之上進行仿真分析。

圖7系統(tǒng)仿真模型

在圖7中，S1、S2和S3分別為靜態(tài)開關；DG1和DG1為微電網(wǎng)系統(tǒng)中的分布式電源。仿真系統(tǒng)的具體參數(shù)如表1所示。

4.1孤島運行仿真分析

微電網(wǎng)中的分布式電源輸出的有功功率和無功功率隨時間變化曲線如圖8所示。

圖8微電網(wǎng)輸出的功率

由圖8可以看出，在t=0.1 s時，系統(tǒng)負荷發(fā)生變化，微電網(wǎng)中的分布式電源輸出的有功功率和無功功率分別變?yōu)?.8 kW、2 kvar。此時，虛擬同步發(fā)電機還沒有運行，微電網(wǎng)輸出的頻率偏差和電壓偏差在0.1 s和0.2 s時存在很大的波動，如圖9(a)和圖9(b)所示。

圖9微電網(wǎng)輸出的頻率與電壓

采用基于頻率控制器和電壓控制器的虛擬同步發(fā)電機控制策略后，微電網(wǎng)輸出的頻率和電壓在0.1 s后只有很小的波動，很快進入穩(wěn)態(tài)過程。因此，基于虛擬調(diào)速器和虛擬勵磁控制器的VSG控制策略能夠滿足調(diào)壓調(diào)頻的要求，維持整個系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定，如圖10(a)和圖10(b)所示。

圖10采用VSG后的頻率與電壓

4.2并網(wǎng)運行仿真分析

當微電網(wǎng)和主電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行時，微電網(wǎng)中的分布式電源輸出的有功功率和無功功率隨時間變化曲線如圖11所示。

圖11微電網(wǎng)輸出的功率

由圖11可以看出，在t=0.1 s時刻后，系統(tǒng)負荷發(fā)生變化，微電網(wǎng)中的分布式電源輸出的有功功率和無功功率分別變?yōu)? kW、3.5 kvar。此時，虛擬同步發(fā)電機還沒有投入運行，微電網(wǎng)輸出的頻率偏差和電壓偏差在0.1s和0.2 s時存在很大的波動，如圖12（a）和圖12（b）所示。

表1仿真系統(tǒng)的參數(shù)

圖12微電網(wǎng)輸出的頻率與電壓

加入虛擬同步發(fā)電機之后，微電網(wǎng)輸出的頻率和電壓如圖13（a）和圖13（b）所示。

圖13加入虛擬同步發(fā)電機之后的微電網(wǎng)輸出的頻率與電壓

通過圖13（a）和圖13（b）中的仿真曲線可以看出，在0.1 s到0.25 s之間，負荷變化（或者分布式電源出力的波動）時，微電網(wǎng)中分布式電源的頻率和電網(wǎng)頻率都為50 Hz（fMG=fg=50Hz），微電網(wǎng)中分布式電源的電壓和電網(wǎng)電壓都為380 V（VMG=Vg=380V），電壓相角偏差Δθ=θ1-θ2≈0如圖14所示。

圖14電壓相角波形

根據(jù)以上分析，加入虛擬同步發(fā)電機之后，含分布式電源的微電網(wǎng)在負荷變化時能夠保持電壓和頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量能夠達到相應標準[17]。

5 結(jié)論

（1）本文基于虛擬同步發(fā)電機控制技術，提出了一種具有功率控制和電壓調(diào)整的VSG微電網(wǎng)控制方法，通過在并網(wǎng)時采集主網(wǎng)的頻率與電壓幅值，設計出了適合于含分布式電源的微網(wǎng)并網(wǎng)逆變器控制策略，并通過Matlab/simulink軟件對所提VSG控制策略的可行性和有效性進行了驗證。

（2）仿真結(jié)果表明，采用該方法的虛擬同步發(fā)電機控制在微電網(wǎng)中運行穩(wěn)定。當微電網(wǎng)并網(wǎng)運行后，本文所提出的微電網(wǎng)電壓控制方法可以在較短的調(diào)整時間內(nèi)迅速穩(wěn)定電壓，本文所提出的頻率穩(wěn)定控制方法可以使得電網(wǎng)頻率在并網(wǎng)后迅速恢復。

（3）本文研究的側(cè)重點為微電網(wǎng)并網(wǎng)對微電網(wǎng)本身穩(wěn)定性的影響，而沒有涉及微電網(wǎng)離網(wǎng)對主網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，該項內(nèi)容的研究將在以后的工作中繼續(xù)開展。

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Controlstrategy form icrogrid based on virtualsynchronousgeneratorLIJinying(Le K im Anh)1，AIXin2，DENG Yuhui3

(1.DepartmentofElectricaland Electronic Engineering,Tuy Hoa IndustrialCollege，Tuy Hoa，56000，VietNam；2.State Key Laboratory ofAlternate ElectricalPower System with Renewable Energy Sources,North China Electric Power University,Changping,Beijing 102206,China；3.Departmentof Electricaland Electronic Engineering，Quang Ninh University of Industrial，Quang Ninh，20000，VietNam)

Aiming at the problem of the frequency and voltage instability of themicro-grid caused by the intermittence of distributed generations,by establishing a mathematical model of the virtual synchronous generator(VSG)control system,designs feedback controller based on frequency control, voltage controland power control,gives corresponding controlmethods.By theoretically analyzing the frequency and voltage characteristic of the distribution generations(DGs),and their effects on frequency and voltage stability of the micro-grid,puts forward the effective control strategy of restraining the power fluctuation of DGs,improving the power quality of themicro grid.The simulationresultshows thatVSG can stably control themicro-grid’s frequency and voltage,and has fine stability state characteristic.

virtual synchronous generator;micro grid;frequency stability;voltage stability;control strategy

TM727

A

1672-3643（2017）02-0007-08

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.02.002

2017-01-11

Le Kim Anh（黎金英）：（1979），男，工學博士，主要研究方向為分布式電源，電能質(zhì)量。

有效訪問地址：http：//dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.02.002