基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變器控制策略

秦昭朔 張新慧

（山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 山東省淄博市 255000）

隨著世界環(huán)境污染的日益嚴(yán)重和能源危機(jī)的不斷加劇，風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生清潔能源逐漸受到社會(huì)各界的重視。同時(shí)，分布式電源因?qū)Νh(huán)境的污染程度較小而被廣泛應(yīng)用。但分布式電源若直接與電網(wǎng)相連會(huì)造成電壓擾動(dòng)、頻率失調(diào)等嚴(yán)重后果。微電網(wǎng)在保證供電可靠性和電能質(zhì)量的情況下，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)可再生能源的廣泛使用。因此，基于可再生能源的微網(wǎng)技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注[1]。為此，在分析推導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)傳統(tǒng)控制策略模式存在切換復(fù)雜的不足，利用虛擬同步發(fā)電機(jī)(Virtual Synchronous Generator ,VSG)實(shí)現(xiàn)對(duì)微網(wǎng)逆變器的有效控制。該控制策略不僅能夠?qū)崿F(xiàn)微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，而且可以提高控制精度和跟蹤效果。利用Simulink仿真平臺(tái)驗(yàn)證了該控制策略的應(yīng)用效果。

1 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制原理分析

VSG根據(jù)實(shí)際同步發(fā)電機(jī)的暫態(tài)特性實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)電源大慣性、大輸出感抗的特性，并通過(guò)模擬實(shí)際同步發(fā)電機(jī)的調(diào)速器和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電壓和功率的均分[2]。如圖1所示為虛擬同步發(fā)電機(jī)控制原理圖。

圖1中，主電路采用傳統(tǒng)的單相橋式電壓型逆變電路，其中Udc為直流電壓源，Li、Ci分別為濾波電感和濾波電容，Lk為虛擬同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)直接連接的大電感，其作用是使虛擬同步發(fā)電機(jī)輸出阻抗呈感性以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的控制[3]。通過(guò)采集并網(wǎng)點(diǎn)處的電壓電流信號(hào)送入功率控制器和勵(lì)磁控制器中，得到虛擬同步發(fā)電機(jī)控制算法中所需要的機(jī)械功率Pt以及由勵(lì)磁控制器得到的勵(lì)磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)指令E0；通過(guò)控制算法得到空間電壓矢量所需要的指令電壓U*，最后通過(guò)正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM)算法輸出相應(yīng)的PWM波，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路后對(duì)逆變器IGBT的通斷進(jìn)行控制[4]。至此整個(gè)虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制原理基本闡述完畢，其基本的運(yùn)行和控制特性與實(shí)際同步發(fā)電機(jī)相近。

2 基于VSG的微網(wǎng)逆變器控制策略整體設(shè)計(jì)

根據(jù)同步發(fā)電機(jī)調(diào)速器和勵(lì)磁控制器的運(yùn)行原理設(shè)計(jì)控制器，能夠協(xié)調(diào)儲(chǔ)能單元和逆變器，將帶有儲(chǔ)能的逆變器等效為同步發(fā)電機(jī)[5]。

首先采樣濾波后的三相電壓U0以及三相電流I0作為采樣信號(hào)，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換以及功率計(jì)算，得到控制VSG所需的有功功率和無(wú)功功率。通過(guò)VSG控制并做坐標(biāo)反變換后，得到dq軸坐標(biāo)系下的定子電壓，將其作為電壓電流雙環(huán)控制的輸入后，得到三相調(diào)制波S[6]。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合SPWM調(diào)制過(guò)程，可將其轉(zhuǎn)化為持續(xù)的觸發(fā)脈沖，利用觸發(fā)脈沖實(shí)現(xiàn)開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷。由于虛擬同步發(fā)電機(jī)在本質(zhì)上可看作一個(gè)理想電壓源，因此逆變器的輸出表現(xiàn)為電壓源型逆變器。若僅僅采用電壓?jiǎn)苇h(huán)控制，易導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性不足。電壓電流雙閉環(huán)能夠進(jìn)行電流限幅，比電壓?jiǎn)伍]環(huán)更為安全，因此，本文采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略。

基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變器整體控制策略如圖2所示。其中，Vdc為直流電壓源，與兩電平逆變器直接相連，Lf、Bf和Cf分別為濾波電感、濾波電感內(nèi)阻及濾波電容。

此外，在基于VSG的微網(wǎng)逆變器控制策略中，結(jié)合頻率反饋過(guò)程實(shí)現(xiàn)逆變器對(duì)電網(wǎng)頻率的實(shí)時(shí)追蹤；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電壓電流雙閉環(huán)技術(shù)調(diào)控并網(wǎng)電壓和頻率，從而實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)逆變器穩(wěn)定控制。逆變器并網(wǎng)控制模式如圖3所示。

3 仿真驗(yàn)證

為證明設(shè)計(jì)的微網(wǎng)逆變器控制策略的應(yīng)用性能，在Simulink仿真環(huán)境中搭建了如圖4所示的微網(wǎng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)。該仿真平臺(tái)由三相逆變器、同步發(fā)電機(jī)、負(fù)載、電網(wǎng)和開關(guān)組成。其中，同步發(fā)電機(jī)具有二次調(diào)頻的功能，可自由改變逆變器的開關(guān)組合狀態(tài)。

若將KM1切換開關(guān)和KM3切換開關(guān)關(guān)閉，這表示虛擬同步發(fā)電機(jī)已經(jīng)接入電網(wǎng)中，此時(shí)系統(tǒng)處于并網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)。

圖5為虛擬同步發(fā)電機(jī)在額定電網(wǎng)頻率下的并網(wǎng)電流波形圖，由仿真結(jié)果可以看到并網(wǎng)電流波形諧波含量為2.63%，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的電流畸變限定值，證明了基于虛擬同步發(fā)電機(jī)微網(wǎng)逆變器控制策略的有效性和可行性。

圖1：虛擬同步發(fā)電機(jī)控制原理框圖

圖2：逆變器控制結(jié)構(gòu)圖

圖3：逆變器并網(wǎng)控制模式

圖4：微網(wǎng)逆變器控制仿真圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變器控制策略。首先，分析了VSG的運(yùn)行原理，建立了發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并構(gòu)建了虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)。然后，對(duì)虛擬同步發(fā)電機(jī)的核心控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證VSG中的功率控制器和勵(lì)磁控制器的有效性和穩(wěn)定性。最后，在仿真平臺(tái)中設(shè)計(jì)了對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)所設(shè)計(jì)VSG控制策略的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，為將來(lái)進(jìn)一步研究基于VSG技術(shù)的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

圖5：并網(wǎng)電流波形