光伏并網(wǎng)逆變器的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略

胡 平，任俊道

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，咸陽 712000；2.長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，西安 710061）

如今，隨著新能源的不斷發(fā)展，分布式電源發(fā)電正在逐步增加，新能源發(fā)電的核心部分即為逆變器，逆變器內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)是以電力電子器件為主導(dǎo)的開關(guān)，其反復(fù)的通斷將給電網(wǎng)帶來諧波干擾，隨著大量的光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電并入到大電網(wǎng)，意味著許多同步發(fā)電機(jī)將被電力電子器件所取代。分布式電源的頻率、幅值與電網(wǎng)相比存在一定差異，隨著越來越多的以電力電子器件為核心的逆變器并入到電網(wǎng)，由于其頻率高，缺少傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)所具有的慣性和阻尼的特點，因而容易受到頻率波動的影響，其勢必給電網(wǎng)帶來威脅。

基于上述問題，若使得逆變器的輸出具有同步發(fā)電機(jī)所具有特性必然能夠提高含并網(wǎng)逆變器的分布式發(fā)電系統(tǒng)和微電網(wǎng)的運行性能。文獻(xiàn)[1]提出了具有同步機(jī)內(nèi)部機(jī)理和外部特性的逆變器控制技術(shù)，從而為智能微電網(wǎng)提供了一個友好的接口機(jī)制，文獻(xiàn)[2]提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)的儲能系統(tǒng)的設(shè)計，并對系統(tǒng)的參數(shù)的設(shè)計整定提出了一套完整的算法，文獻(xiàn)[3]提出了自動調(diào)壓器的概念，其思想是簡化系統(tǒng)無功和電壓的下垂特性關(guān)系。

本文從并網(wǎng)逆變器和同步發(fā)電機(jī)等效對應(yīng)的角度出發(fā)，研究了下垂控制以及引入轉(zhuǎn)動慣量的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略，通過對比驗證，總結(jié)得出虛擬轉(zhuǎn)動慣量在逆變器并網(wǎng)控制中所提供的慣性作用。最后通過仿真驗證了控制策略在電網(wǎng)電壓/頻率調(diào)節(jié)中的有效性和可行性。

1 下垂控制

下垂控制利用分布式電源的接口輸出特性進(jìn)行控制，即系統(tǒng)的有功輸出與頻率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，系統(tǒng)的無功輸出與電壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。該控制方法由于具有不需要分布式電源之間通信聯(lián)系就能實施控制的潛力，所以一般用于對等控制策略中的分布式電源接口逆變器的控制?？刂圃矸匠虨?/p>

控制原理如圖1所示。

圖1 下垂控制特性原理Fig.1 Principle of droop control characteristics

下垂控制的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，L，C分別為濾波電容和電感，通過采集PCC點的電流電壓，送入功率計算模塊，然后分別進(jìn)行f-P和U-Q下垂特性運算合成參考電壓然后送入PWM控制器當(dāng)中[4]。

圖2 下垂控制策略Fig.2 Droop control strategy

2 虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）控制

2.1 VSG控制原理

本文將同步發(fā)電機(jī)的特性方程引入到逆變器的控制算法流程中，系統(tǒng)設(shè)計參照同步發(fā)電機(jī)的主要特性而成，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)特性[5]。VSG由系統(tǒng)主拓?fù)潆娐泛涂刂齐娐穬刹糠纸M成，原理如圖3所示。主電路采用電壓型逆變器，Udc為主流電源，L為濾波電容，C為濾波電感，Lg為逆變側(cè)與電網(wǎng)的連接電感。

圖3 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略Fig.3 VSG control strategy

2.2 虛擬同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同階數(shù)下的模型有著很大的差異，本文為研究方便，采用二階模型，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 同步發(fā)電機(jī)的二階模型Fig.4 Second-order model of synchronous generator

同步發(fā)電機(jī)二階模型的定子電壓方程以及轉(zhuǎn)子機(jī)械方程如式（3）、式（4）所示[6]：

定子方程：

轉(zhuǎn)子機(jī)械方程：

在系統(tǒng)設(shè)計中，取極對數(shù)p=1，則上式轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

式中：E0為勵磁電動勢；U為電樞端電壓；I為電樞電流；Ra為電樞電阻；Xs為同步電抗；J為轉(zhuǎn)動慣量；Ω為機(jī)械角速度；MT為機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Me為電磁轉(zhuǎn)矩。

2.3 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制器設(shè)計

控制電路包括虛擬同步機(jī)算法單元和控制器兩部分，其中控制器又包括有功-頻率控制器和無功-電壓控制器[7]。

2.3.1 有功/頻率控制器的設(shè)計

圖5中，fref代表VSG系統(tǒng)額定頻率；f為系統(tǒng)運行時的實際功率；Pn代表VSG額定頻率下輸出的有功值，Pt即為得到的有功輸出值。

圖5 有功/頻率控制器Fig.5 P/f controller

2.3.2 無功/電壓控制器的設(shè)計

圖6中，Qref代表VSG額定無功值；Q為系統(tǒng)實際實際輸出的無功功率；K為比例系數(shù)。將所得的電壓偏離值與額定電壓幅值Un相加得到參考電壓值Uref，然后通過采集的逆變器交流側(cè)電壓幅值與參考電壓值作差，得到的結(jié)果送入PI控制器，得到VSG調(diào)節(jié)需要的參數(shù)Emag。

圖6 無功/電壓控制器Fig.6 Q/V controller

3 仿真結(jié)果分析

對于2種控制策略，在相同條件下，進(jìn)行負(fù)載突增突降實驗仿真。1號負(fù)載10 kW始終投入，在0.2 s時投入2號負(fù)載5 kW，在0.4 s時切除，觀察各個參數(shù)變化如圖7～圖11所示。

圖7 兩種控制策略下系統(tǒng)頻率變化Fig.7 System frequency change under two control strategies

圖8 兩種控制策略下系統(tǒng)有功功率變化Fig.8 System active power change under two control strategies

圖9 兩種控制策略下系統(tǒng)無功功率變化Fig.9 System reactive power change under two control strategies

圖10 兩種控制策略下系統(tǒng)電流變化Fig.10 System current change under two control strategies

由實驗結(jié)果，圖7表示了在負(fù)荷突增突降時，系統(tǒng)的頻率變化，通過對比可知，在下垂控制中，負(fù)荷變化導(dǎo)致的頻率變化是瞬時的，沒有緩沖過程，這在大量的分布式電源并入電網(wǎng)中時，會給電網(wǎng)帶來較大的威脅，而采用VSG技術(shù)則體現(xiàn)了轉(zhuǎn)動慣量在負(fù)荷波動時所起到的作用；圖8則體現(xiàn)了系統(tǒng)有功的變化規(guī)律，可見兩種控制策略都能夠起到有功-頻率的調(diào)節(jié)作用，但引入虛擬轉(zhuǎn)動慣量的控制策略中，有功功率的變化更為平緩，體現(xiàn)了轉(zhuǎn)動慣量的緩沖作用。圖10、圖11則為系統(tǒng)的電流電壓變化曲線，電流在負(fù)載變化時均有響應(yīng)，但在下垂控制策略下，在負(fù)載突增的瞬間，電流存在畸變，而采用VSG控制策略電流的變化則較為平穩(wěn)；而電壓在負(fù)載變化時曲線均平穩(wěn)，說明了兩種控制策略的可行性。

4 結(jié)語

通過實驗結(jié)果可知，下垂控制以及虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)都能夠起到隨著負(fù)荷的變化調(diào)壓調(diào)頻的作用，但相比于下垂控制對于頻率調(diào)節(jié)的瞬時性，虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)則更體現(xiàn)了它的慣性作用和阻尼性，使得頻率能夠平穩(wěn)過渡，從而保障了電網(wǎng)的安全以及穩(wěn)定運行。