基于欠勵磁狀態(tài)運(yùn)行的虛擬同步發(fā)電機(jī)低電壓穿越控制策略

施 凱, 葉海涵, 徐培鳳, 焦 龍

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院, 江蘇省鎮(zhèn)江市 212013)

0 引言

隨著基于電力電子技術(shù)的分布式電源在電網(wǎng)中的滲透率不斷增加,高鐵、電動汽車等新負(fù)荷的快速發(fā)展和廣泛接入,使得電網(wǎng)中傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)(SG)的裝機(jī)比例逐漸降低,源—網(wǎng)—荷系統(tǒng)的慣性和阻尼愈發(fā)不足。近年來,有學(xué)者融合電力電子設(shè)備的靈活性與SG的運(yùn)行機(jī)制,提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)的變流器控制新技術(shù)[1-3]。目前,針對VSG技術(shù),已在預(yù)同步控制與柔性接入[4-6]、二次調(diào)頻[7-8]、慣性自適應(yīng)[9-11]等方面進(jìn)行了廣泛深入的研究,在直流輸電、靜止無功發(fā)生器、風(fēng)力和光伏發(fā)電、充電樁及微電網(wǎng)等領(lǐng)域均有涉及,并取得了相應(yīng)成果。

雖然VSG技術(shù)可為電網(wǎng)提供動態(tài)的頻率支撐,然而其電壓源特性很大程度上限制了它對電流的控制能力。當(dāng)其在電網(wǎng)故障環(huán)境中運(yùn)行時,不僅會產(chǎn)生巨大的沖擊電流且穩(wěn)態(tài)輸出電流難以抑制,也無法自動地為電網(wǎng)提供無功支持。文獻(xiàn)[12]提出一種用附加電流環(huán)平衡電流控制方法,用于在電網(wǎng)電壓不平衡時抑制VSG的負(fù)序電流。但VSG難以提供無功支撐,并且容易出現(xiàn)輸出電流幅值越限的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[13-14]提出基于模式平滑切換的VSG低電壓穿越(LVRT)控制方法及其模式間的平滑切換算法,但是該方法未對切換的暫態(tài)過程及穩(wěn)定性情況進(jìn)行深入分析,未論證電網(wǎng)故障期間系統(tǒng)依舊能模擬同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行優(yōu)勢。文獻(xiàn)[15]提出不切換算法的附加電流環(huán)方法,引進(jìn)VSG功角負(fù)慣量成果[16],研究成果對后續(xù)深入研究極具指導(dǎo)性意義。文獻(xiàn)[17]在VSG控制算法中加入虛擬阻抗模擬SG定子電壓方程,但未涉及電流環(huán)參數(shù)設(shè)計方法及對VSG運(yùn)行特征的影響分析。文獻(xiàn)[18]將虛擬電阻技術(shù)與相量限流方法相結(jié)合,但該方法僅從限流角度展開研究,未考慮VSG在LVRT環(huán)境下的自身響應(yīng)特征。

本文將SG并網(wǎng)運(yùn)行時的無功調(diào)節(jié)原理和LVRT運(yùn)行控制要求結(jié)合,從系統(tǒng)勵磁狀態(tài)角度解決VSG的LVRT控制問題。首先，依據(jù)SG無功調(diào)節(jié)原理分析VSG的LVRT響應(yīng),表明過大的無功增量將會使系統(tǒng)進(jìn)入過勵磁狀態(tài),加劇故障負(fù)面影響。然后,分別改進(jìn)下垂特性、無功環(huán)和有功環(huán)的設(shè)計,保持VSG運(yùn)行特征,加速勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程;在保持VSG特性的前提下改進(jìn)附加電流環(huán),輔助系統(tǒng)運(yùn)行于欠勵磁狀態(tài)。最后,仿真證明該方法在電網(wǎng)故障期間無需切換控制算法,也無需加入狀態(tài)間平滑切換策略,可同時應(yīng)對LVRT問題和電網(wǎng)不對稱跌落問題。

1 基本原理

1.1 VSG基本原理

VSG經(jīng)典控制框圖如圖1所示。圖中,udc和idc為直流母線電壓和電流;Qi為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)器件(i=1,2,…,6);Ls1,Rs1,Ls2,Rs2,C,R3為LCL濾波器參數(shù);igk為第k相電流;vgabc和igabc為濾波器輸出的電壓和電流;um為VSG控制模塊輸出調(diào)制波;uin為輸入附加電流環(huán)的調(diào)制波，SVPWM表示空間矢量脈寬調(diào)制。

圖1 VSG控制框圖Fig.1 Block diagram of VSG control strategy

圖1中,有功環(huán)和無功環(huán)的具體數(shù)學(xué)模型為:

(1)

式中:P*和Q*分別為有功功率和無功功率給定值;Dp和Dq分別為P-f和Q-V下垂系數(shù);P和Q分別為有功功率和無功功率的反饋值;J和K分別為有功環(huán)和無功環(huán)的慣性系數(shù);ω*和ω分別為額定電角速度和虛擬轉(zhuǎn)子電角速度;V*和V分別為額定電壓幅值和輸出電壓幅值;E為VSG電勢。

采樣LCL濾波器輸出的電壓和電流,用有功環(huán)和無功環(huán)模擬SG的下垂特性,用預(yù)同步算法模擬SG并網(wǎng)調(diào)節(jié)過程。經(jīng)過虛擬阻抗和附加電流環(huán)后,采用SVPWM模塊驅(qū)動并網(wǎng)逆變器,將分布式電源等效為SG。

1.2 SG并網(wǎng)無功調(diào)節(jié)基本原理

圖2 SG無功調(diào)節(jié)示意圖Fig.2 Schematic diagram of reactive power regulation of SG

由于穩(wěn)定運(yùn)行時發(fā)電機(jī)的電磁功率Pe和輸出有功功率P近似保持不變,則

(2)

在電網(wǎng)穩(wěn)定時,m,Vg和Xs都是常數(shù)。因此可將式(2)簡化為:

(3)

設(shè)定近似單位功率因數(shù)運(yùn)行時，同步機(jī)處于正常勵磁狀態(tài)。根據(jù)此時的SG定子電壓方程為:

(4)

在電網(wǎng)電壓下跌時,原無功環(huán)將會導(dǎo)致VSG電勢瞬間且持續(xù)性增大,使系統(tǒng)進(jìn)入過勵磁狀態(tài),產(chǎn)生巨大沖擊電流。為應(yīng)對此問題,并使系統(tǒng)在電網(wǎng)故障期間依舊能夠模擬SG運(yùn)行優(yōu)勢,現(xiàn)將上述原理應(yīng)用至LVRT問題。若電網(wǎng)故障發(fā)生瞬間,VSG瞬間進(jìn)入欠勵磁狀態(tài),發(fā)出容性無功支撐,限制有功輸出。并且,在電網(wǎng)故障恢復(fù)瞬間,VSG瞬間恢復(fù)至正常勵磁狀態(tài),恢復(fù)功率輸出?；诖丝刂扑枷?VSG的LVRT過程將不會產(chǎn)生沖擊電流,輸出電流不會過大,能夠提供無功支撐。

可見,正是由于VSG技術(shù)擁有電力電子和SG的雙重特征,才能運(yùn)用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想,拓展SG運(yùn)行優(yōu)勢的適用范圍。

2 VSG的LVRT控制新方法

2.1 基本思路

如上述分析,嘗試將傳統(tǒng)SG與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時的無功調(diào)節(jié)原理應(yīng)用于LVRT問題中。不改變原有的控制結(jié)構(gòu),不增加額外的控制算法,拓展VSG模擬SG運(yùn)行特征的適用范圍,是VSG的LVRT控制策略的設(shè)計核心。為此,本文從系統(tǒng)勵磁狀態(tài)角度提出VSG的LVRT控制基本思路,具體如下。

1)在電網(wǎng)正常、電網(wǎng)擾動階段使系統(tǒng)近似單位功率因數(shù)運(yùn)行,模擬SG的正常勵磁狀態(tài)運(yùn)行特征及下垂特性響應(yīng)。

2)檢測到電網(wǎng)故障發(fā)生瞬間和恢復(fù)瞬間,迅速調(diào)節(jié)逆變器輸出基波電勢,使系統(tǒng)快速實(shí)現(xiàn)正常勵磁和欠勵磁狀態(tài)間的相互過渡,抑制沖擊電流。

3)在LVRT過程中,使系統(tǒng)減小有功輸出,發(fā)出容性無功支撐,模擬SG欠勵磁狀態(tài)運(yùn)行特征。

2.2 方法設(shè)計

根據(jù)VSG的LVRT控制新方法的基本思想,分別改進(jìn)VSG的Q-V下垂特性、有功環(huán)和無功環(huán),重新設(shè)計附加電流環(huán),其整體框圖如圖3所示。圖中,Vpabc為電網(wǎng)電壓的正序分量幅值,k′為可變電壓倍數(shù)，PLL為鎖相環(huán)。

圖3 VSG的LVRT控制新方法整體框圖Fig.3 Overall block diagram of novel LVRT control strategy of VSG

根據(jù)GB/T 12325—2008設(shè)定電壓幅值偏差±7%,根據(jù)GB/T 15543—2008設(shè)定不平衡度4%,應(yīng)用雙同步PLL模塊分離電網(wǎng)電壓的正序和負(fù)序分量,應(yīng)用電網(wǎng)故障檢測模塊實(shí)時比較當(dāng)前檢測值和設(shè)定值的大小。若當(dāng)前電壓幅值偏差大于±7%或不平衡度大于4%,則認(rèn)為電網(wǎng)發(fā)生故障。其中,雙同步PLL模塊借鑒文獻(xiàn)[20-21]。

當(dāng)電網(wǎng)電壓下跌幅度過小,系統(tǒng)判定此時處于電網(wǎng)擾動而非電網(wǎng)故障時,根據(jù)雙同步PLL計算所得Vpabc直接觸發(fā)原下垂響應(yīng)。此時,無功給定值取Q*,無功反饋取Q,有功給定值取P*,有功反饋取P。由式(1)可知，此時系統(tǒng)表現(xiàn)出原VSG響應(yīng)特征。

(5)

式中:系數(shù)0.05用于防止電網(wǎng)電壓跌至0時系統(tǒng)運(yùn)算出錯。

可見,此時電網(wǎng)電壓幅值經(jīng)式(5)放大，可使電壓反饋值與額定值抵消。因此,可屏蔽Q-V下垂作用,以免產(chǎn)生過大無功增量而使系統(tǒng)進(jìn)入過勵磁狀態(tài),擴(kuò)大電網(wǎng)故障惡劣影響。

屏蔽下垂特性且功率反饋直接賦值給功率給定值后,由式(1)中無功環(huán)表達(dá)式可知,等式左側(cè)為0。因此,可將VSG電勢保持在故障發(fā)生前的值。同理可知,LVRT時可將VSG角速度保持在故障發(fā)生前的值?？梢?方法中的Q-V下垂特性、有功環(huán)節(jié)和無功環(huán)節(jié)的改進(jìn)設(shè)計有利于限制故障產(chǎn)生的負(fù)面影響,使VSG憑借自身穩(wěn)定性完成LVRT。

2.3 新附加電流環(huán)

本文方法借鑒基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流環(huán),并選取圖1中方向uin為d軸方向,具體實(shí)現(xiàn)如圖4所示。圖中PI為比例—積分環(huán)節(jié);P為比例環(huán)節(jié)。

圖4 新附加電流環(huán)框圖Fig.4 Block diagram of redesigned additional current loop

如圖4所示,將電網(wǎng)電壓先用雙同步PLL模塊得到三相正序電壓,再用θin換算至d,q坐標(biāo)系下。該電流環(huán)方法可將電網(wǎng)對稱和不對稱跌落故障統(tǒng)一處理,并具備抑制負(fù)序電流的能力。本文方法將比例—諧振(PR)雙環(huán)控制中計算給定電流的思路應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中[22],如圖中紅色虛線框部分所示。

基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流環(huán)表達(dá)式為:

(6)

(7)

綜上分析,新附加電流環(huán)在電網(wǎng)穩(wěn)定時可作為跟隨器傳遞VSG蘊(yùn)含的SG特性。在電網(wǎng)發(fā)生對稱和不對稱跌落故障時,可輔助系統(tǒng)欠勵磁狀態(tài)運(yùn)行。

3 仿真驗(yàn)證與分析

在MATLAB/Simulink中搭建如圖1所示仿真模型,對上述理論分析和所提LVRT控制方法進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)主要仿真參數(shù)見附錄A表A1。

3.1 LVRT控制仿真驗(yàn)證

圖5為LVRT仿真結(jié)果。用預(yù)同步算法和準(zhǔn)同期算法使系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行,2.5 s時三相電壓全部下跌至0.2 (標(biāo)幺值),持續(xù)0.625 s,并設(shè)定電流倍數(shù)ki為1.3。

在圖5(a)所示對稱跌落下進(jìn)行驗(yàn)證。如圖5(b)所示,約1.5 s時開始并網(wǎng),切除預(yù)同步算法,功率給定以斜坡形式上升,約2 s時系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行。本文采用的預(yù)同步算法借鑒文獻(xiàn)[23],若考慮交流接觸器動作時間,可根據(jù)產(chǎn)品動作時間優(yōu)化導(dǎo)前角計算和預(yù)同步PI整定,以便重新實(shí)現(xiàn)柔性并網(wǎng)。

如圖5(b)所示,2.5 s和3.125 s時電網(wǎng)電流未產(chǎn)生沖擊,暫態(tài)調(diào)節(jié)過程短,穩(wěn)態(tài)電流約為1.3(標(biāo)幺值)。并且,虛擬阻抗可輔助系統(tǒng)在電網(wǎng)故障恢復(fù)瞬間減小輸出功率,正如理論分析所示。如圖5(c)所示,本文方法可抑制有功振蕩,并且能有效抑制有功輸出,減小電網(wǎng)故障期間的穩(wěn)態(tài)輸出電流。如圖5(d)所示,本文方法可有效抑制無功環(huán)與有功環(huán)之間的耦合情況,在欠勵磁狀態(tài)下系統(tǒng)可按式(7)提供相應(yīng)的無功支撐。綜合上述仿真結(jié)果,本方法可有效實(shí)現(xiàn)欠勵磁狀態(tài)和正常勵磁狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換。

3.2 電網(wǎng)不對稱跌落故障仿真驗(yàn)證

圖6為電網(wǎng)不對稱跌落故障仿真結(jié)果。系統(tǒng)并網(wǎng)后,2.5 s時a相下跌至0.2(標(biāo)幺值),b相和c相不變,持續(xù)0.625 s。此時,ki依舊設(shè)定為1.3。

在圖6(a)所示不對稱跌落故障下進(jìn)行驗(yàn)證。如圖6(b)所示,電網(wǎng)電流在2.5 s和3.125 s處同樣都不會產(chǎn)生沖擊,故障期間電網(wǎng)電流幅值穩(wěn)定在1.3(標(biāo)幺值)附近。但是,虛擬阻抗的引入將會使uin產(chǎn)生畸變,進(jìn)而降低了電網(wǎng)電流的正弦度。圖6(c)和(d)為基波有功功率和基波無功功率波形圖,在不對稱故障下本文方法依舊可以穩(wěn)定運(yùn)行于欠勵磁狀態(tài),抑制有功輸出,提供相應(yīng)無功支撐。至于圖6(e),直流母線電流有倍頻波動,仿真結(jié)果與不對稱故障的基本理論相符。

圖5 LVRT仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results under LVRT

4 結(jié)語

本文借鑒SG與電網(wǎng)并聯(lián)時的無功功率調(diào)節(jié)理論,在不改變原VSG控制結(jié)構(gòu)的情況下分別改進(jìn)了下垂特性、無功環(huán)和有功環(huán)的設(shè)計,在不改變系統(tǒng)VSG特性的基礎(chǔ)上重新設(shè)計附加電流環(huán)。在電網(wǎng)故障發(fā)生瞬間和恢復(fù)瞬間無沖擊電流,暫態(tài)過程短,穩(wěn)態(tài)電網(wǎng)電流控制在1.3(標(biāo)幺值),且能提供無功支撐。仿真結(jié)果證明在電網(wǎng)故障期間,本文方法無需切換控制算法,也無需另加入狀態(tài)間平滑切換策略,可同時應(yīng)對LVRT問題和電網(wǎng)不對稱跌落問題。

圖6 電網(wǎng)不對稱跌落故障仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results under the asymmetrical drop

本文方法致力于充分發(fā)揮VSG的固有優(yōu)勢,并非僅局限于LVRT問題。將本文所提思想應(yīng)用于提高暫態(tài)響應(yīng)性能、適應(yīng)多樣運(yùn)行環(huán)境及其相互轉(zhuǎn)化等復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境中,都有待進(jìn)一步研究。

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

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YANG Liang, WANG Cong, Lü Zhipeng, et al. The method of pre-synchronized grid-connection of synchronverter[J]. Power System Technology, 2014, 37(11): 3103-3108.

施 凱(1980—),男,博士,副教授,主要研究方向:電氣工程、新能源發(fā)電系統(tǒng)及并網(wǎng)技術(shù)。E-mail： shikai80614@163.com

葉海涵(1994—),男,碩士研究生,主要研究方向:新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)。E-mail: yehaihan2016@163.com

徐培鳳(1980—),女,通信作者,博士,副教授,主要研究方向:新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計及控制。E-mail: xupeifeng2003@126.com