光伏電站虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略研究

王 愷

（三峽電力職業(yè)學(xué)院，湖北宜昌 443000）

引言

隨著常規(guī)化石能源的不斷減少，光伏發(fā)電作為一種重要的可再生清潔能源，已受到世界的關(guān)注[1]。目前已有諸多學(xué)者對(duì)光伏電站虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)進(jìn)行了大量研究。如文獻(xiàn)[2]建立了光伏VSG的模型；文獻(xiàn)[3]基于同步發(fā)電機(jī)的原理，提出了一種無(wú)功電壓的控制算法；文獻(xiàn)[4]提出了一種新型光伏VSG的控制算法。然而上述研究均未涉及控制器的相關(guān) 研究。

本研究首先介紹光伏電站的基本原理，然后闡述了控制策略的實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)對(duì)控制器進(jìn)行分析，最后運(yùn)用控制策略對(duì)虛擬同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證控制策略的有效性。

1 光伏虛擬同步發(fā)電機(jī)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

圖1為光伏VSG的結(jié)構(gòu)圖，由圖1可知，光伏VSG主要由光伏陣列，逆變器，儲(chǔ)能單元等組成[5]。圖2為光伏VSG控制系統(tǒng)的示意圖。

圖1 光伏VSG結(jié)構(gòu)圖

圖2 光伏VSG控制系統(tǒng)

1.2 控制策略

（1）有功控制

光伏VSG的有功控制如圖3所示。

圖3 有功控制框圖

（2）無(wú)功控制

圖4為光伏VSG的無(wú)功控制器原理圖。

圖4 無(wú)功控制原理圖

2 控制器

為實(shí)現(xiàn)VSG的有功及無(wú)功控制，所有控制器的主要功能為有功、無(wú)功的去耦控制，其控制原理框架如圖5所示。圖5中Uref和Uabc分別為參考電壓、負(fù)載端電壓；KPWM為等效增益；Kup、Kui分別是VSG電壓環(huán)的比例系數(shù)及積分系數(shù)；Kip是VSG控制器電流環(huán)的比例系數(shù)。

圖5 VSG雙環(huán)控制

由圖5可以看出，以VSG電壓作為輸出時(shí)，VSG的閉環(huán)傳遞函數(shù)可以表示為：

式（1）可簡(jiǎn)化為：

其中G(s)為傳遞函數(shù)；Z0(s)為等效阻抗。

3 算例分析

為驗(yàn)證控制策略的有效性，參考文獻(xiàn)[6]中的參數(shù)設(shè)置，對(duì)VSG模型進(jìn)行了仿真計(jì)算。首先對(duì)頻率擾動(dòng)進(jìn)行仿真計(jì)算，如圖6所示，先將頻率設(shè)置為50 Hz，而后降至48.5 Hz，最終再恢復(fù)至50 Hz，計(jì)算此時(shí)有功功率變化情況，計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示。當(dāng)頻率變化時(shí)，傳統(tǒng)矢量控制策略并未發(fā)生變化，而VSG控制策略卻可以隨相應(yīng)的頻率而變化。

圖6 頻率曲線

圖7 光伏有功響應(yīng)

圖8 儲(chǔ)能有功響應(yīng)

對(duì)電壓擾動(dòng)進(jìn)行仿真計(jì)算，電壓曲線如圖9所示，先將頻率設(shè)置為1 p.u，而后降至0.90 p.u，最終恢復(fù)至1 p.u，計(jì)算此時(shí)無(wú)功功率變化情況，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖9 電壓曲線

圖10 無(wú)功電壓曲線

觀察圖10可知，當(dāng)電壓變化時(shí)，傳統(tǒng)控制策略并不因電壓的變化而變化，而VSG控制策略卻可以實(shí)時(shí)響應(yīng)電壓的變化。

4 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用控制策略對(duì)虛擬同步發(fā)電機(jī)的有功和無(wú)功控制進(jìn)行了仿真計(jì)算，仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的有效性。