虛擬同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)控制策略研究

王亞楠 晏鵬博

摘? 要：針對基于虛擬同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行的逆變器并聯(lián)控制策略進(jìn)行研究，分析了微電網(wǎng)中逆變器并聯(lián)功率分配機(jī)理。將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的集中控制方式引入微電網(wǎng)逆變電源中，使逆變器具有同步發(fā)電機(jī)的大慣量特性，且各并聯(lián)逆變器輸出電壓一致，有功功率和無功功率按額定容量比精確分配，并保證并聯(lián)逆變器具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性。最后通過仿真驗(yàn)證了所提出控制策略的可行性。

關(guān)鍵詞：虛擬同步發(fā)電機(jī);逆變器并聯(lián);集中式控制方式;功率分配

Abstract：The parallel control strategy of inverters based on virtual synchronous generator operation is studied，and the parallel power distribution mechanism of inverters in microgrid is analyzed. The centralized control method of traditional power system is introduced into the microgrid inverter power supply，which makes the inverter have the characteristics of large inertia of synchronous generator，the output voltage of each parallel inverter is consistent，the active power and reactive power are accurately distributed according to the rated capacity ratio，and the parallel inverter has good dynamic and static characteristics. Finally，the feasibility of the proposed control strategy is verified by simulation.

Keywords：virtual synchronous generator;parallel inverters;centralized control mode;power distribution

0? 引? 言

虛擬同步發(fā)電機(jī)（Virtual Synchronous Generator，VSG）多臺并聯(lián)功率控制方法中，微電網(wǎng)既對功率調(diào)度單元進(jìn)行功率控制，又對調(diào)頻調(diào)壓單元的電網(wǎng)動態(tài)調(diào)整，還具有一定魯棒性，并能減少電源設(shè)計(jì)參數(shù)、非線性負(fù)荷以及連接阻抗對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。如何有效、精確地調(diào)節(jié)各臺VSG間的功率輸出成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]提出一種微電網(wǎng)電源的虛擬慣性頻率控制策略，通過提高阻尼比來抑制多機(jī)并聯(lián)時的系統(tǒng)振蕩問題，實(shí)現(xiàn)兩臺VSG的并聯(lián)運(yùn)行，但由于阻尼比系數(shù)、慣性時間常數(shù)以及調(diào)差系數(shù)的耦合性較強(qiáng)，給參數(shù)設(shè)計(jì)帶來一定的困難，并且系統(tǒng)整體穩(wěn)定性還有待考究。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一次調(diào)壓和二次調(diào)壓相結(jié)合的電壓控制策略，提出一種新的電壓計(jì)算方法，說明VSG的同步電抗可以有效提高無功功率在各逆變器間的分配精度，但未對同步電抗做定量分析。文獻(xiàn)[3]針對一種包含電壓電流環(huán)的功率下垂控制器，通過重新設(shè)計(jì)其等效輸出阻抗，提出的功率控制方法可使無功功率分配不受輸出阻抗變化的影響，并使等效輸出阻抗的幅頻特性在工頻內(nèi)輸出呈感性、在高頻內(nèi)呈阻性，以此來滿足下垂方程并實(shí)現(xiàn)諧波抑制。文獻(xiàn)[4]針對傳統(tǒng)的逆變器并聯(lián)控制存在的問題，在無功電壓下垂環(huán)節(jié)提出一種電壓恢復(fù)調(diào)整控制策略，當(dāng)負(fù)載功率變化時，通過電壓恢復(fù)控制不斷調(diào)整母線電壓，使得逆變器輸出母線電壓相同，提高不同容量逆變器并聯(lián)時系統(tǒng)無功功率的分配精度。文獻(xiàn)[5]分析了影響逆變器輸出阻抗的各種因素以及輸出阻抗的不同對不同逆變器功率分配精度的影響，并引入虛擬阻抗;通過對虛擬阻抗的設(shè)計(jì)，使得逆變器等效輸出阻抗得到控制，在逆變器并聯(lián)時功率分配有了較大的改善。文獻(xiàn)[6]針對逆變器并聯(lián)存在的問題提出一種VSG算法，在有功下垂環(huán)節(jié)采用同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程來調(diào)節(jié)逆變器輸出的頻率，在無功電壓下垂環(huán)節(jié)采用比例積分調(diào)節(jié)器（PI）對電壓進(jìn)行修正，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出算法的可行性。文獻(xiàn)[7]詳細(xì)分析了將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的集中式頻率控制引入微電網(wǎng)的可能性，還指出了分散式頻率控制存在的問題，但對VSG不能改變逆變電源過流能力和抗沖擊能力差的問題沒有提出解決方法。

本文基于陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（新能源電站接口特性的研究），分析了微電網(wǎng)中逆變器并聯(lián)功率分配機(jī)理，提出一種集中控制方式來實(shí)現(xiàn)2臺VSG的并聯(lián)控制。有功頻率環(huán)節(jié)采用電力系統(tǒng)中的集中式頻率控制策略，無功電壓環(huán)節(jié)采用Q-U下垂控制策略。通過專門設(shè)置公共的同步及均流模塊，可以實(shí)現(xiàn)各模塊的鎖相環(huán)電路輸出電壓的頻率、相位與同步信號的一致，以此增強(qiáng)并聯(lián)逆變器的動態(tài)性能。最后通過仿真驗(yàn)證控制策略的可行性。

1? 虛擬同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

VSG算法是采用同步發(fā)電機(jī)的二階數(shù)學(xué)模型，模擬同步發(fā)電機(jī)的大阻抗、大慣性、自同步等優(yōu)點(diǎn)，使逆變器具有同步發(fā)電機(jī)的輸出特性。

假設(shè)勵磁和機(jī)械轉(zhuǎn)矩均恒定，采用標(biāo)幺制法計(jì)算同步發(fā)電機(jī)的二階數(shù)學(xué)模型如式（1）：

式（1）（2）中：、 分別為d、q坐標(biāo)系下的同步電抗id、iq分別為d、q坐標(biāo)系下的電流值;ud、uq分別為d、q坐標(biāo)系下的電壓值;、 分別為d、q坐標(biāo)系下的感應(yīng)電動勢;Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩;Te為電磁轉(zhuǎn)矩;D為定常阻尼系數(shù);ω為實(shí)際角速度;J為轉(zhuǎn)動慣量;θ為電角度; 為定子端電壓; 為定子端感應(yīng)電動勢; 為定子電流;ra為定子電樞電阻。