虛擬同步發(fā)電機的并網(wǎng)功率控制及模式平滑切換

顏湘武, 賈焦心, 王德勝, 李正文, 葛延峰

(1. 河北省分布式儲能與微網(wǎng)重點實驗室(華北電力大學(xué)), 河北省保定市 071003;2. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司, 遼寧省沈陽市 110006)

0 引言

由于清潔能源在很長一段時期內(nèi)仍需要接入同步電網(wǎng),因此虛擬同步發(fā)電機(virtual synchronous generator,VSG)技術(shù)應(yīng)運而生,并且近年來受到了廣泛關(guān)注。采用VSG技術(shù)的分布式電源具備與同步機組相同的運行機制,都能自主地參與電網(wǎng)的運行和管理,并在電網(wǎng)電壓/頻率、有功功率/無功功率異常情況下做出相應(yīng)的響應(yīng),積極應(yīng)對電網(wǎng)的暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定問題[1-2]。

文獻[3-8]研究了VSG技術(shù)在風(fēng)電、光伏、儲能等不同場景下的應(yīng)用問題,每種場景都會有并網(wǎng)和離網(wǎng)運行工況。對于雙模式運行的VSG,需要保證儲能單元的荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)在充放電過程中都在安全范圍內(nèi),一旦由于VSG直流側(cè)的分布式電源功率波動或VSG參與一次調(diào)頻導(dǎo)致儲能單元SOC超出安全范圍,則需停止放電或充電[9]。此時,若依舊采用VSG控制策略,則直流側(cè)的分布式電源由于需要預(yù)留容量而無法實現(xiàn)最大功率控制[1]。此外,文獻[6]指出當(dāng)電網(wǎng)頻率與儲能VSG頻率額定值之間的偏差較大時,常規(guī)VSG控制策略由于具有頻率和電壓下垂特性(本文稱為下垂控制模式,即Droop控制模式),需要吸收或者發(fā)出大量有功功率才能與電網(wǎng)頻率達成平衡,這可能導(dǎo)致儲能VSG過載。因此,僅僅依靠VSG的頻率下垂控制不能適應(yīng)并網(wǎng)運行,有必要研究能夠與VSG的Droop控制模式平滑切換的PQ控制(恒功率控制)模式。

VSG輸出有功功率的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性由虛擬慣量和阻尼系數(shù)的大小決定,難以兼具良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。為此,一些學(xué)者提出了改進的控制策略,主要包括:基于微分補償環(huán)節(jié)虛擬慣量的方法[10]、自適應(yīng)虛擬慣量的VSG控制算法[11-12]。改進后的控制策略可以提高VSG控制性能,但在電網(wǎng)頻率發(fā)生波動時仍無法實現(xiàn)并網(wǎng)工況的恒功率控制。此外,虛擬阻抗方法也可以調(diào)節(jié)VSG的動態(tài)性能[7],但輸出阻抗相對于動態(tài)響應(yīng)與均流的控制規(guī)律相矛盾,也存在難以兼顧的問題。

為實現(xiàn)電網(wǎng)頻率擾動下VSG的恒功率控制,目前主要的策略為:在VSG功率環(huán)中增加比例—積分(PI)調(diào)節(jié)器[13];增加切換策略,將并網(wǎng)的逆變微源切換成PQ控制[6];將實時測量的電網(wǎng)頻率作為VSG的頻率參考[14];通過上層控制系統(tǒng)進行二次調(diào)節(jié)[15]。

文獻[13]通過增加PI調(diào)節(jié)器進行有功功率的閉環(huán)控制,進而可以實現(xiàn)并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)下VSG恒功率控制,但該方法增加了功率環(huán)的階次,影響VSG原有的優(yōu)越慣性和阻尼性能。文獻[6]通過PQ控制與VSG控制之間的協(xié)調(diào)控制來提升并網(wǎng)性能,孤島時采用VSG控制,并網(wǎng)時采用PQ控制,采用該方案時逆變微源無法為電網(wǎng)提供慣量和阻尼支撐,并且該方案增加了被動并網(wǎng)和離網(wǎng)切換難度。文獻[14]將實時測量的電網(wǎng)頻率作為VSG的頻率參考值,可以實現(xiàn)并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)下VSG恒功率控制。但是,用于測量頻率的鎖相環(huán)存在非線性、響應(yīng)慢、參數(shù)設(shè)計難等問題[2],需要進一步研究。

綜上所述,現(xiàn)有控制策略難以同時實現(xiàn)并網(wǎng)運行VSG的恒功率控制與慣量、阻尼支撐相互協(xié)調(diào)。本文對比分析VSG功率環(huán)模型與基于虛擬功率的鎖相環(huán)模型,提出將功率環(huán)模型校正為有零點典型二階系統(tǒng)。校正后的功率環(huán)不僅具有同步機制和提供慣性功率支撐的能力,而且可以實現(xiàn)電網(wǎng)頻率擾動下恒定穩(wěn)態(tài)有功功率的控制。

1 VSG原理

VSG并網(wǎng)的主電路結(jié)構(gòu)與同步發(fā)電機存在對偶關(guān)系,其物理等效關(guān)系為:將分布式電源及儲能單元等效為原動機;逆變電路和電感—電容(LC)濾波器等效為發(fā)電機;逆變橋臂中點電壓等效為發(fā)電機的內(nèi)電勢;輸出電壓(即濾波電容電壓)等效為發(fā)電機的輸出端電壓;濾波電感等效為發(fā)電機的同步電感;濾波電感的電阻等效為發(fā)電機的電樞電阻。

基于對偶關(guān)系,通過控制策略的設(shè)計,使VSG可具有同步發(fā)電機的內(nèi)部機制與外特性。一種VSG方案參見圖1[5,7],控制部分主要包括:比例—諧振(PR)控制器、VSG電磁方程、無功和電壓調(diào)節(jié)環(huán)、有功和頻率調(diào)節(jié)環(huán)、空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation,SVPWM)環(huán)節(jié)。

圖1中:Dp和kv為下垂系數(shù);J為虛擬慣量;kq為無功積分系數(shù);ωs為電網(wǎng)額定角頻率;U為VSG輸出端電壓有效值;UN為VSG并網(wǎng)點額定電壓有效值;Pref和Qref為功率給定值;Pe和Qe為VSG的電磁功率;L為VSG的濾波電感(同時也是VSG的等效輸出電感);R為VSG的等效輸出電阻;C為VSG的濾波電容;E0為VSG空載電勢有效值;E為VSG內(nèi)電勢有效值;φ為VSG內(nèi)電勢的相位角;δ為VSG的功角(即三相內(nèi)電勢eabc與三相輸出端電壓uabc的相角差);iabc為VSG的三相輸出電流;irefabc為三相輸出電流參考值;ugabc為電網(wǎng)三相電壓;Ug為并網(wǎng)點電壓有效值;Lg為電網(wǎng)等效電感。

圖1 VSG的控制策略Fig.1 Control scheme of VSG

2 PQ控制模式及其切換方法

2.1 PQ控制模式的提出

2.1.1Droop控制模式的功率環(huán)模型

圖2 Droop模式下VSG的功率環(huán)模型Fig.2 Model of power loop in VSG with droop mode

Droop模式下,VSG有功功率輸入的開環(huán)傳遞函數(shù)為式(1),閉環(huán)傳遞函數(shù)為式(2)。

(1)

(2)

2.1.2基于虛擬有功功率的鎖相環(huán)與功率環(huán)模型對比

文獻[2,16]提出了基于虛擬電流或虛擬功率的VSG預(yù)同步方法,簡化了VSG的預(yù)同步控制。文獻[17]通過同步機數(shù)學(xué)模型設(shè)計了改進型鎖相環(huán),充分證明了同步機和虛擬同步機具有類似的同步機制。文獻[18]介紹了一種基于虛擬無功功率的鎖相環(huán)。上述文獻的共同特點是通過虛擬功率的反饋間接實現(xiàn)相位同步跟蹤。

(3)

式中:Δφl為uabc與Pv-PLL電壓elabc的相角差;αv為虛擬阻抗角;El為Pv-PLL電壓elabc的有效值。

由式(3)可知,通過反饋Pv作為鎖相環(huán)的輸入可實現(xiàn)鎖相環(huán)輸出相位φl的調(diào)節(jié)。若αv≠π/2,在El=U時可實現(xiàn)uabc相位的無差跟蹤;若αv=π/2,在El≠U時也可實現(xiàn)相位的無差跟蹤。

線性化后可得到Pv-PLL模型,如附錄A圖A2所示,其中,KPv=ElU/Zv。虛擬有功功率輸入的開環(huán)傳遞函數(shù)為式(4),閉環(huán)傳遞函數(shù)為式(5)。

(4)

(5)

式中:kpl和kil分別為鎖相環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù);Pvref為Pv參考值。

由式(1)可知,GrI(s)在自動控制原理中為典型Ⅰ型系統(tǒng);由式(4)可知,GvrΠ(s)為典型Ⅱ型系統(tǒng)。因而Pv-PLL模型的穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于Droop模式功率環(huán)模型。

由式(2)可知,ΦrI(s)為無零點典型二階系統(tǒng);由式(5)可知,ΦvrΠ(s)為有零點典型二階系統(tǒng)。無零點二階系統(tǒng)的性能分析較為簡單,而零點對二階系統(tǒng)的影響則比較復(fù)雜,文獻[19]分析了零點對二階系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能的影響,表明多數(shù)情況下零點的存在會惡化性能。

通過上述對比,主要考慮Pv-PLL模型的穩(wěn)態(tài)性能,本文提出將VSG功率環(huán)模型校正為Ⅱ型系統(tǒng),可得到一種基于PQ控制模式的VSG,目的是提高VSG并網(wǎng)運行的穩(wěn)態(tài)性能。校正后的VSG功率環(huán)模型與Pv-PLL模型具有相同的結(jié)構(gòu),仍然具有同步機制,后面將具體分析。

2.2 PQ控制模式的實現(xiàn)及其切換方法

PQ控制模式實現(xiàn)方法如下:將VSG控制算法中的慣性環(huán)節(jié)替換為PI調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié),VSG可以實現(xiàn)電網(wǎng)頻率擾動下有功功率給定值的無差跟蹤;再將無功和電壓調(diào)節(jié)環(huán)中的無功調(diào)節(jié)環(huán)閉合,VSG可以實現(xiàn)無功功率給定值的無差跟蹤。

具體的功率環(huán)控制框圖如圖3所示,在圖1的基礎(chǔ)上加入了1個PI調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)、7個開關(guān)(S1至S7)以及1個預(yù)同步單元。圖3中:Dvp和Jv為PI調(diào)節(jié)器參數(shù);kvi為電壓積分系數(shù);ΔT和Δω1分別為慣性環(huán)節(jié)的輸入和輸出;Δω2為PI調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)輸出;ΔE和Δωsyn分別為預(yù)同步單元輸出的電壓幅值和角頻率調(diào)節(jié)量；ω為φ的微分量。當(dāng)S1閉合,S2,S3,S4,S5斷開時,VSG工作在Droop模式;當(dāng)S1斷開,S2,S3,S4,S5閉合時,VSG工作在PQ模式。選取Dvp=Dp,目的是實現(xiàn)控制模式的平滑切換。

圖3 改進的VSG功率環(huán)控制框圖Fig.3 Control block of improved power loop in VSG

考慮到VSG有3種運行模式,即并網(wǎng)模式、離網(wǎng)模式和預(yù)同步模式,通過組合這3種運行模式和2種控制模式可以得到5種有效的VSG模式,具體為:并網(wǎng)Droop模式、并網(wǎng)PQ模式、離網(wǎng)PQ模式、離網(wǎng)Droop模式和預(yù)同步Droop模式。此外,為了實現(xiàn)PQ模式的主動離網(wǎng)切換,增加了一種過渡模式——預(yù)離網(wǎng)Droop模式。

圖4為6種模式切換流程圖。切換流程如下。

1)首先,離網(wǎng)Droop模式的VSG收到并網(wǎng)指令后,預(yù)同步單元使能,閉合S6和S7,進入預(yù)同步Droop模式。

2)檢測到預(yù)同步完成后發(fā)送并網(wǎng)開關(guān)合閘指令,同時斷開S6和S7。

3)檢測到并網(wǎng)開關(guān)合閘后預(yù)同步單元去使能,并復(fù)位預(yù)同步單元的PI調(diào)節(jié)器和積分調(diào)節(jié)器,ΔE和Δωsyn變?yōu)?,進入并網(wǎng)Droop模式。

4)斷開S1,閉合S2,S3,S4,S5,VSG進入并網(wǎng)PQ模式;閉合S1,斷開S2,S3,S4,S5,并復(fù)位PI環(huán)節(jié)的積分調(diào)節(jié)器和無功調(diào)節(jié)環(huán)的積分調(diào)節(jié)器,VSG再次進入并網(wǎng)Droop模式(并網(wǎng)Droop模式與并網(wǎng)PQ模式的切換條件視具體的控制策略而定)。

5)并網(wǎng)PQ模式的主動離網(wǎng)切換:收到離網(wǎng)指令后,閉合S1,斷開S2和S4,將并網(wǎng)PQ模式切換為預(yù)離網(wǎng)Droop模式;發(fā)送并網(wǎng)開關(guān)分閘指令;檢測到并網(wǎng)開關(guān)斷開后,斷開S3和S5,并復(fù)位PI調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)的積分調(diào)節(jié)器和無功調(diào)節(jié)環(huán)的積分調(diào)節(jié)器,VSG進入離網(wǎng)Droop模式。

6)并網(wǎng)Droop模式的主動離網(wǎng)切換:收到離網(wǎng)指令后直接發(fā)送并網(wǎng)開關(guān)分閘指令,并網(wǎng)開關(guān)斷開后進入離網(wǎng)Droop模式。

7)若出現(xiàn)并網(wǎng)PQ模式被動離網(wǎng)的情況,則在檢測到并網(wǎng)開關(guān)斷開后,迅速將已經(jīng)被動進入離網(wǎng)PQ模式的VSG切換為離網(wǎng)Droop模式。

8)并網(wǎng)Droop模式的被動離網(wǎng)切換自動進行。

圖4 運行和控制模式切換流程圖Fig.4 Flow chart of switchover between operation and control modes

關(guān)于預(yù)離網(wǎng)Droop模式，作如下說明:對于要求VSG采用PQ模式并網(wǎng)運行的情形,在電網(wǎng)電壓幅值或頻率發(fā)生波動時(例如電網(wǎng)頻率小于額定值),若并網(wǎng)PQ模式的主動離網(wǎng)切換流程是先轉(zhuǎn)換到Droop模式再由Droop模式離網(wǎng)(此時會使得輸出功率增加),則可以實現(xiàn)并離網(wǎng)平滑切換但無法滿足功率控制的要求。若并網(wǎng)PQ模式的主動離網(wǎng)切換經(jīng)由上述的切換流程5實現(xiàn),則考慮到并網(wǎng)PQ模式切換為預(yù)離網(wǎng)Droop模式后PI調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)和無功調(diào)節(jié)環(huán)中積分調(diào)節(jié)器的輸出值保持不變,與切換前一瞬間的值相同,并且在主動離網(wǎng)切換的較短時間內(nèi)電網(wǎng)電壓波動很小,因而可以基本滿足功率控制的要求。

3 VSG并網(wǎng)性能分析

3.1 穩(wěn)態(tài)性能分析

3.1.1Droop模式穩(wěn)態(tài)性能

Droop模式下,VSG有功功率輸入的誤差傳遞函數(shù)為式(6);VSG頻率擾動的閉環(huán)傳遞函數(shù)為式(7),誤差傳遞函數(shù)為式(8)。

(6)

(7)

(8)

由式(1)可知,GrⅠ(s)為典型Ⅰ型系統(tǒng),因而可以實現(xiàn)階躍輸入信號的無差跟蹤,但不能實現(xiàn)斜坡輸入信號的無差跟蹤。斜率為Rp的斜坡輸入信號Rp/s2作用時,輸出有功功率的穩(wěn)態(tài)誤差為:

(9)

Droop模式下,階躍擾動信號Δω/s和斜率為Rω的斜坡擾動信號Rω/s2作用時,穩(wěn)態(tài)誤差為:

(10)

3.1.2PQ模式的穩(wěn)態(tài)性能及其對比分析

PQ模式下,VSG有功功率輸入的開環(huán)傳遞函數(shù)為式(11),閉環(huán)傳遞函數(shù)為式(12);VSG頻率擾動的閉環(huán)傳遞函數(shù)為式(13),誤差傳遞函數(shù)為式(14)。

(11)

(12)

(13)

(14)

由式(11)可知,ΦrΠ(s)為典型Ⅱ型系統(tǒng),因而可以實現(xiàn)階躍和斜坡輸入信號的無差跟蹤。PQ模式下,階躍擾動信號Δω/s和斜坡擾動信號Rω/s2作用時,輸出有功功率的穩(wěn)態(tài)誤差為:

(15)

表1為2種模式下VSG穩(wěn)態(tài)有功功率誤差對比結(jié)果,可知PQ模式的穩(wěn)態(tài)性能明顯優(yōu)于Droop模式。

表1 有功功率穩(wěn)態(tài)誤差對比Table 1 Comparison of steady-state active power error

3.2 動態(tài)性能分析

ΦrΠ(s)是具有閉環(huán)零點-Dp/Jv的二階系統(tǒng),零點的出現(xiàn)使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快,但超調(diào)量增大,因而PQ模式的慣性和阻尼性能均弱于Droop模式。以下對PQ模式的動態(tài)性能進行具體分析。

3.2.1功率環(huán)輸入響應(yīng)分析

Droop模式下,閉環(huán)系統(tǒng)的自然振蕩角頻率ωnI和阻尼比ξI分別為:

(16)

PQ模式下,閉環(huán)系統(tǒng)的自然振蕩角頻率ωnΠ和阻尼比ξΠ分別為:

(17)

對比式(16)和式(17),可知隨著Z的增大,ξΠ與ξΙ的變化規(guī)律相反。

選取Dvp=Dp,通過調(diào)節(jié)J和Jv來改變阻尼比,附錄A圖A3為不同阻尼比時2種模式的動態(tài)響應(yīng)曲線。由圖A3可知,PQ模式下Jv越大超調(diào)量越小,而響應(yīng)越慢;相比于Droop模式,PQ模式的響應(yīng)速度較快,但超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間都大幅增加。因而PQ模式的動態(tài)性能弱于Droop模式。附錄A圖A4(a)進一步對比了不同阻尼比時2種模式的單位階躍響應(yīng)峰值。由圖A4(a)可知,隨著阻尼比的增大,2種模式的峰值均減小,PQ模式的峰值大于Droop模式,在過阻尼時Droop模式的峰值為1,即過阻尼時無超調(diào)量。

3.2.2功率環(huán)擾動響應(yīng)分析

由式(13)可知,ΦnΠ(s)與二階帶通濾波器傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)相同,ΦnΠ(s)的通帶中心頻率即為ωnΠ,通帶中心頻率處的放大倍數(shù)為Dpωs,品質(zhì)因數(shù)Q=0.5/ξΠ。因此,放大倍數(shù)與Z和Jv無關(guān),品質(zhì)因數(shù)與ξΠ呈反比關(guān)系。

在PQ模式下,通過控制參數(shù)的設(shè)計可以調(diào)整VSG對系統(tǒng)頻率擾動的響應(yīng)頻段(即調(diào)整通帶中心頻率和品質(zhì)因數(shù)),進而可以調(diào)節(jié)頻率擾動下VSG為系統(tǒng)提供的慣性功率和能量大小;與此同時,能夠保持對高頻擾動的抑制和穩(wěn)態(tài)輸出有功功率的精確控制。

附錄A圖A5為不同J和Jv時的單位階躍擾動響應(yīng)曲線,由此可知:2種模式均具有慣性特性;PQ模式的調(diào)節(jié)時間較長,體現(xiàn)了其能夠為系統(tǒng)提供一定的慣性功率和能量;PQ模式下,隨著阻尼比的增大,超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間都增大。附錄A圖A4(b)給出了不同阻尼比時2種模式的單位階躍響應(yīng)峰值。由圖A4(b)可知,隨著阻尼比的增大,Droop模式的峰值減小,PQ模式的峰值增大,但PQ模式的最大峰值仍小于Droop模式的最小峰值;在過阻尼時Droop模式的峰值最小,等于穩(wěn)態(tài)誤差值Dpωs。因而,在Dvp=Dp的條件下,PQ模式的最大峰值小于Droop模式的穩(wěn)態(tài)誤差值。

圖5為不同J和Jv時的頻率擾動閉環(huán)傳遞函數(shù)波特圖,可知:2種模式具有相同的高頻擾動抑制能力,2種模式均具有低頻擾動響應(yīng)能力,但PQ模式還具有超低頻擾動抑制能力,即PQ模式在穩(wěn)態(tài)時具有零誤差的特點。圖5中,隨著Jv的增大,PQ模式的通帶中心頻率降低,通帶寬度增大,但中心頻率處的放大倍數(shù)不變。因此,通過參數(shù)的設(shè)計可以調(diào)整PQ模式對頻率擾動的響應(yīng)頻段,進而可以調(diào)節(jié)PQ模式為系統(tǒng)提供的慣性功率和能量大小。

圖5 不同J和Jv時的頻率擾動閉環(huán)傳遞函數(shù)波特圖Fig.5 Bode diagrams of closed-loop transfer function of frequency disturbance in the cases of different J and Jv

4 仿真和實驗驗證

搭建容量為10 kVA的VSG仿真模型和實驗平臺,對本文VSG的PQ控制模式及模式切換方法進行驗證。仿真參數(shù)與第3.2節(jié)動態(tài)性能分析的參數(shù)一致,見附錄B表B1。仿真和實驗拓撲在圖1的基礎(chǔ)上增加了變比為150 kV/380 V的隔離變壓器。仿真中未對由eabc與irefabc計算的瞬時功率進行濾波,VSG的電磁功率即為瞬時功率。附錄B圖B1和圖B2為仿真結(jié)果。

實驗中選取了過阻尼時的參數(shù)(J=0.06 kg·m2,Jv=2.4 kg·m2),其余參數(shù)見附錄B表B1。實驗中采用二階帶通濾波器(阻尼比為0.32)對采集到的輸出端電壓uabc進行濾波,之后反饋到VSG的電磁方程中,采用移動平均濾波器對瞬時有功功率50 Hz以上的諧波進行濾波,得到電磁功率Pe。圖6和圖7以及附錄C圖C1至圖C6為實驗結(jié)果,圖中ig和iload分別為電網(wǎng)電流和負載電流;ug和u分別為電網(wǎng)電壓和VSG輸出電壓。

4.1 VSG并網(wǎng)運行

仿真情形1:VSG并網(wǎng)運行,Pref由3.3 kW階躍至6.3 kW。附錄B圖B1(a)為不同阻尼比條件下2種模式的電磁功率Pe的輸入響應(yīng)波形,圖B1(a)中還給出了由2種模式的功率環(huán)模型得到的有功功率階躍輸入響應(yīng)測試曲線,Droop模式的功率環(huán)模型見圖2。對比可知:各阻尼比條件下的仿真結(jié)果與階躍輸入響應(yīng)曲線能夠基本重合,由仿真結(jié)果顯示的2種控制模式的有功輸入動靜態(tài)性能與第3節(jié)的理論分析一致。

仿真情形2:VSG并網(wǎng)運行,電網(wǎng)頻率驟降0.2 Hz。附錄B圖B1(b)為不同阻尼比條件下2種模式的電磁功率Pe的擾動響應(yīng)波形,圖B1(b)中還給出了頻率階躍擾動響應(yīng)測試曲線。對比可知:各阻尼比條件下的仿真結(jié)果與階躍擾動響應(yīng)曲線能夠基本重合,由仿真結(jié)果顯示的2種控制模式的頻率擾動性能與第3節(jié)的理論分析一致。

實驗情形1:VSG并網(wǎng)運行,Pref由3.3 kW階躍至6.3 kW。在2種模式下,VSG有功功率階躍輸入的電壓電流波形和輸出功率P如附錄C圖C1(a)和圖6(a)所示,可知Droop模式的調(diào)節(jié)時間較短,為0.25 s;PQ模式的調(diào)節(jié)時間較長,為0.78 s,并且超調(diào)量大于Droop模式。穩(wěn)態(tài)時,Droop模式和PQ模式的誤差分別為-0.42 kW和-0.36 kW。

實驗情形2:通過電網(wǎng)模擬器設(shè)置頻率波動。電網(wǎng)頻率驟降0.2 Hz時的電壓電流波形和輸出功率P如附錄C圖C1(b)和圖6(b)所示,可知在頻率突變時PQ模式下VSG可以提供0.96 s的慣性功率支撐,慣量功率最大值(功率峰值)為2.51 kW,而在Droop模式下VSG參與一次調(diào)頻輸出的穩(wěn)態(tài)有功功率調(diào)節(jié)量為2.86 kW。顯然,PQ模式的慣量功率小于Droop模式的一次調(diào)頻量。

由于VSG輸出電阻R和隔離變壓器上的功率損耗,VSG的電磁功率Pe與輸出功率P不相等。為便于比較實驗和仿真結(jié)果,附錄B圖B2給出了J=0.06 kg·m2和Jv=2.4 kg·m2時VSG并網(wǎng)輸出功率和擾動響應(yīng)的仿真結(jié)果。在仿真和實驗結(jié)果中,Droop控制模式和PQ控制模式的穩(wěn)態(tài)特性保持一致,而動態(tài)特性則出現(xiàn)較小差別。表2至表4通過穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間3個指標對理論值、仿真結(jié)果和實驗結(jié)果進行比較,其中理論值由功率環(huán)線性化模型的階躍響應(yīng)得到;仿真值由輸出有功功率P計算得到;調(diào)節(jié)時間特指響應(yīng)到達2%誤差范圍所需的時間,PQ模式在擾動作用下的超調(diào)量等于功率峰值與0.4πDpωs的比值。

圖6 并網(wǎng)VSG輸入和擾動響應(yīng)的實驗結(jié)果Fig.6 Experimental results of input and disturbance responses of grid-connected VSG

由表2至表4可知,仿真值與實驗值的穩(wěn)態(tài)誤差的差別較小,理論值、仿真值與實驗值的調(diào)節(jié)時間差別也較小,而超調(diào)量具有較大差別。對于Droop模式,由于J=0.06 kg·m2時阻尼比大于1,因此理論值和仿真值的超調(diào)量均為0,但實驗中應(yīng)用了濾波器使得系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能變差,出現(xiàn)了5.93%(階躍輸入)和6.99%(階躍擾動)的超調(diào)量。對于PQ模式,由于濾波器的影響使實驗值的超調(diào)量大于理論值和仿真值。

表2 有功功率穩(wěn)態(tài)誤差對比Table 2 Comparisons of steady-state active power error

表3 有功功率超調(diào)量對比Table 3 Comparison of active power overshoot

表4 有功功率調(diào)節(jié)時間對比Table 4 Comparison of active power settling time

4.2 VSG模式平滑切換

實驗情形1:電網(wǎng)頻率為49.8 Hz,并網(wǎng)運行VSG先由Droop模式切換到PQ模式,然后再切回Droop模式。圖7為雙控制模式切換的有功功率波形,附錄C圖C2為雙控制模式切換的電壓電流波形,可知:2種控制模式可以平滑切換,Droop模式向PQ模式切換的過程中無超調(diào)量,但調(diào)節(jié)時間較長(1.14 s);PQ模式向Droop模式切換的過程中有8.03%的超調(diào)量,調(diào)節(jié)時間較短(0.37 s);穩(wěn)態(tài)時,PQ模式輸出的有功功率為3.15 kW;而Droop模式的VSG參與了一次調(diào)頻,穩(wěn)態(tài)時輸出有功功率為6.0 kW。

VSG控制模式切換過程分析如下。

1)Droop模式穩(wěn)態(tài)時,圖3中慣性環(huán)節(jié)的輸入ΔT與輸出Δω1滿足Δω1=ΔT/Dp;切換為PQ模式的瞬間PI調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)的輸入ΔT與輸出Δω2滿足Δω2=ΔT/Dvp。若Dvp=Dp,則切換前后ω未跳變,切換為PQ模式后ΔT作用于PI調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)過程與PQ模式的有功階躍響應(yīng)相近,因而選取Dvp=Dp有利于實現(xiàn)控制模式的平滑切換。不同的是,Droop模式和PQ模式切換過程中未出現(xiàn)超調(diào)量且調(diào)節(jié)時間較長,這是由于PI調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)中比例環(huán)節(jié)的作用使得PQ模式在有功功率階躍瞬間即出現(xiàn)了ω跳變,進而有功功率階躍響應(yīng)的動態(tài)過程快于Droop模式和PQ模式切換過程。

2)PQ模式穩(wěn)態(tài)時,ΔT=0,ω=ωg,Δω2=ωg-ωs;切換為Droop模式的瞬間ΔT=0,Δω1=0,ω=ωs≠ωg。切換前后ω發(fā)生跳變,故切換為Droop模式后由ω跳變引起的調(diào)節(jié)過程與Droop模式的頻率階躍擾動響應(yīng)相近。

因此,為實現(xiàn)VSG控制模式的平滑切換,應(yīng)分析和提升2種控制模式的階躍響應(yīng)性能。

圖7 并網(wǎng)VSG雙控制模式平滑切換的實驗結(jié)果Fig.7 Experimental results of smooth switchover between two control modes of grid-connected VSC

實驗情形2:電網(wǎng)頻率為50 Hz,Pref=3.3 kW,離網(wǎng)運行VSG接入2 kW本地負載,(在預(yù)同步使能后)VSG先進行預(yù)同步控制然后閉合并網(wǎng)開關(guān)。預(yù)同步單元采用PI調(diào)節(jié)器,并對PI調(diào)節(jié)器的輸出進行了限幅,限值為±1.27 rad/s。預(yù)同步是否完成的判斷:ab相間線電壓差值Δuab=ugab-uab,當(dāng)檢測到4個工頻周期(80 ms,對應(yīng)800個采樣點)的Δuab均小于設(shè)定值50 V時,認為預(yù)同步已完成。附錄C圖C3為VSG快速預(yù)同步并網(wǎng)的實驗結(jié)果,附錄C圖C4是與圖C3對應(yīng)的VSG預(yù)同步并網(wǎng)過程中的電壓差、虛擬功率和輸出功率,可知:預(yù)同步在1.6 s內(nèi)完成,預(yù)同步開始時的相角差為158.0°,預(yù)同步完成后再經(jīng)過0.46 s的合閘判斷時間并網(wǎng)開關(guān)閉合,最后實現(xiàn)了VSG無沖擊電流并網(wǎng)。

實驗情形3:電網(wǎng)頻率為50 Hz,Pref=3.3 kW,并網(wǎng)運行VSG接入5 kW本地負載,在并網(wǎng)開關(guān)突然斷開后VSG離網(wǎng)運行。并網(wǎng)開關(guān)狀態(tài)檢測方法:通過虛擬功率Pv的大小來檢測并網(wǎng)開關(guān)的開合狀態(tài),當(dāng)Pv>5 kW時認為并網(wǎng)開關(guān)已分閘。附錄C圖C5為VSG并離網(wǎng)切換的實驗結(jié)果,其中,圖C5(a)為并網(wǎng)Droop模式被動離網(wǎng)時的有功功率波形,圖C5(b)為并網(wǎng)PQ模式被動離網(wǎng)時的虛擬功率和有功功率波形。附錄C圖C6是與圖C5對應(yīng)的VSG并離網(wǎng)切換的電壓、電流波形。由實驗結(jié)果可知,Droop模式的被動離網(wǎng)切換具有較好的動態(tài)性能;PQ模式被動離網(wǎng)切換時并網(wǎng)開關(guān)分閘狀態(tài)的檢測時間約為10 ms,在此時間段內(nèi),離網(wǎng)PQ模式的VSG通過慣性特性來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定,使得被動并離網(wǎng)過程中電壓、電流只出現(xiàn)了5 ms的較小波動,在檢測到并網(wǎng)開關(guān)斷開后通過PQ控制模式向Droop控制模式的迅速切換,實現(xiàn)了VSG被動并離網(wǎng)平滑切換。

5 結(jié)語

本文主要針對雙模式運行VSG的控制策略進行研究,提出一種VSG的并網(wǎng)功率控制策略。通過理論分析和仿真、實驗驗證,所得結(jié)論如下所示。

1)并網(wǎng)運行時PQ控制模式可實現(xiàn)無鎖相環(huán)的自同步運行;PQ模式可實現(xiàn)電網(wǎng)頻率擾動下恒定穩(wěn)態(tài)功率控制,也即不參與電網(wǎng)的一次調(diào)節(jié);PQ模式可以與Droop模式實時切換,通過PQ模式向Droop模式的實時切換可以實現(xiàn)VSG被動并離網(wǎng)工況的平滑切換。

2)與現(xiàn)有VSG的Droop模式相比,PQ模式的特點是:電網(wǎng)頻率發(fā)生波動時,2種模式均可提供慣性功率支撐,但PQ模式具有更好的穩(wěn)態(tài)性能;PQ模式有功功率輸入的動態(tài)性能弱于Droop模式。因此,對于需要配置儲能單元的VSG,考慮到儲能單元電量約束,并網(wǎng)運行時PQ模式可以作為現(xiàn)有Droop模式VSG的有效補充,在電量不足時切換為PQ模式的VSG不參與一次調(diào)頻,只為系統(tǒng)提供慣性功率支撐。

由于本文仿真和實驗中VSG直流側(cè)采用的是直流電壓源,未考慮分布式能源與儲能的特性,因此PQ控制模式在實際環(huán)境中的適用性還有待進一步研究。

本文得到國網(wǎng)遼寧省電力有限公司2018年科技項目“考慮源、荷波動特征的電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化策略和評價指標研究”的資助,謹此致謝!

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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