離網(wǎng)VSG逆變器自適應(yīng)控制策略研究

袁臣虎　段斌偉　劉曉明

摘 ?要： 虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）逆變器控制策略將同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)參數(shù)引入到逆變器控制中，為了進(jìn)一步提升VSG的頻率動態(tài)調(diào)節(jié)性能，文中提出一種離網(wǎng)VSG逆變器轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)一同自適應(yīng)控制策略。分別建立VSG逆變器轉(zhuǎn)動慣量與角頻率變化率和阻尼系數(shù)與角頻率偏差量之間的自適應(yīng)函數(shù)關(guān)系，搭建該自適應(yīng)控制策略的仿真模型。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的VSG控制策略能夠根據(jù)負(fù)載擾動引起的頻率變化率和偏差量自適應(yīng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)，減小頻率變化率和頻率的絕對偏差，從而改善逆變器的頻率動態(tài)響應(yīng)特性。

關(guān)鍵詞： VSG逆變器; 自適應(yīng)控制; 轉(zhuǎn)動慣量; 阻尼系數(shù); 自適應(yīng)函數(shù); 仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號： TN850.3?34; TM464 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）24?0022?04

Research on self?adaptive control strategy of off?grid VSG inverter

YUAN Chenhu， DUAN Binwei， LIU Xiaoming

（School of Electrical Engineering and Automation， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China）

Abstract： The control strategy of virtual synchronous generator （VSG） inverter introduces the rotational inertia and damping coefficient parameter of the synchronous generator into the inverter control. A self?adaptive control strategy of the rotational inertia and damping coefficient parameter of off?grid VSG inverter is proposed to further improve the frequency dynamic adjustment performance of the VSG inverter. The adaptive function relationship between rotational inertia and angular frequency change ratio of the VSG inverter， and damping coefficient and angular frequency deviation value is established， respectively. The simulation model of the self?adaptive control strategy is built. The simulation results show that the improved VSG control strategy can adaptively adjust the rotational inertia and damping coefficient according to the frequency change rate and deviation value caused by the load disturbance， which reduces the frequency change ratio and the absolute deviation of frequency. Thus， the frequency dynamic response of the inverter is improved.

Keywords： VSG inverter; self?adaptive control; rotational inertia; damping coefficient; self?adaptive function; simulation experiment

0 ?引 ?言

隨著我國傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭，以大型新能源發(fā)電為技術(shù)主體的分布式發(fā)電和新型微電網(wǎng)融合技術(shù)逐漸興起[1?2]。而逆變器是分布式電源和整個微電網(wǎng)之間的重要接口。常見的逆變器控制方法有： PQ控制、VF控制和Droop控制。PQ控制輸出的功率維持恒定，但它不具備調(diào)頻調(diào)壓的能力。VF控制能為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的頻率及電壓，但它適用于離網(wǎng)的小容量逆變器且不能兼顧負(fù)荷變化。Droop控制雖然具有一次調(diào)頻的性能，但是其控制器輸出的頻率對負(fù)荷的波動敏感，抗干擾能力也比較弱。而虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）技術(shù)將同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)參數(shù)引入到逆變器控制中，從而使逆變器具備了調(diào)壓調(diào)頻的能力，提升了逆變器的頻率動態(tài)響應(yīng)特性，增強(qiáng)了逆變系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3?5]。

當(dāng)外部環(huán)境擾動較大時，VSG仍然有可能會出現(xiàn)頻率的大幅波動，甚至?xí)斐上到y(tǒng)失穩(wěn)[6]。為此本文提出一種離網(wǎng)VSG逆變器轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)一同自適應(yīng)的控制策略，通過建立離網(wǎng)VSG轉(zhuǎn)動慣量與角頻率變化率和阻尼系數(shù)與角頻率變化偏差量之間的一同自適應(yīng)控制函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而設(shè)計VSG轉(zhuǎn)動慣量、阻尼系數(shù)的自適應(yīng)逆變器頻率調(diào)節(jié)控制模型，搭建該策略的仿真模型。通過仿真驗(yàn)證了轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)協(xié)調(diào)自適應(yīng)控制策略的可行性，改善了頻率的動態(tài)響應(yīng)特性，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 ?VSG基本原理

1.1 ?VSG數(shù)學(xué)模型

VSG的實(shí)質(zhì)就是將同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)參數(shù)引入到逆變器控制中，圖1為VSG的基本結(jié)構(gòu)。其中，[Udc]為逆變器直流側(cè)的等效電源，逆變器輸出的三相電壓[ea]，[eb]，[ec]等效為虛擬同步機(jī)的輸出電動勢，[ua]，[ub]，[uc]為負(fù)荷電壓，R，L和C分別為濾波電感內(nèi)阻、濾波電感及濾波電容，E，δ為VSG輸出的參考電壓幅值及相位角。

由同步發(fā)電機(jī)的二階模型[7]可得VSG定子電磁方程和轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程如下：

[E=U+Ira+jxtJdωdt=Pm-Pω-Dω-ω0dθdt=ω] （1）

式中，[ra]，[xt]分別為VSG電樞電阻和同步電抗;[Pm]，[P]分別為VSG機(jī)械功率和實(shí)際輸出功率;[J]為轉(zhuǎn)動慣量;[D]為阻尼系數(shù);[ω]為實(shí)際角頻率;[ω0]為額定角頻率;[θ]為角度。

1.2 ?傳統(tǒng)離網(wǎng)VSG控制策略

VSG是在下垂控制的基礎(chǔ)上模擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)，從而滿足離網(wǎng)系統(tǒng)在電能質(zhì)量中的電壓和頻率要求。離網(wǎng)狀態(tài)時，功率是根據(jù)負(fù)荷的變化而變化，VSG有功調(diào)頻的控制方程為：

[Pm=Pref+Kωω0-ω] ? ? ? ? ?（2）

聯(lián)立式（1）和式（2）可得VSG輸出角頻率的表達(dá)式為：

[ω=KωJω0s+Dω0ω-ω0+1Jω0s+Dω0Pref-P+ω0] ?（3）

式中：[Pref]為參考功率;[ω]為實(shí)際角頻率;[ω0]額定角頻率;[Kω]為功頻調(diào)差系數(shù)。

將式（3）整理為含慣性環(huán)節(jié)的形式為：

[ω0-ω=-1Jω0s+Dω0Pref-P ? ? ? ? ? ? =-mτs+1Pref-P] ?（4）

[τ=Jω0Dω0+Kωm=1Dω0+Kω] （5）

式中：[τ]為慣性時間系數(shù);[m]為有功頻率下垂系數(shù)。離網(wǎng)VSG控制技術(shù)實(shí)質(zhì)上是逆變器模擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)，與傳統(tǒng)有功頻率控制相比，采用VSG有功控制相當(dāng)于在下垂控制的基礎(chǔ)上增加一階慣性環(huán)節(jié)，這樣當(dāng)負(fù)載擾動較大的時候能夠減緩頻率的變化，增強(qiáng)逆變系統(tǒng)的穩(wěn)定性[8]。

2 ?J，D頻率調(diào)節(jié)的控制原理

VSG和下垂控制相比，頻率響應(yīng)特性得到進(jìn)一步提高。VSG的功角曲線、角頻率振蕩曲線如圖2所示。圖中，當(dāng)VSG的參考功率從[P1]增加到[P2]時，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)從點(diǎn)A變化到點(diǎn)B，在整個變化過程中角頻率為衰減振蕩。當(dāng)負(fù)載擾動較大而引起頻率發(fā)生大幅波動時，其幅值可能會超出允許的范圍。

2.1 ?J，D自適應(yīng)函數(shù)的建立

將VSG角頻率振蕩的過程分為4個階段： ①[t1]—[t2]，②[t2]—[t3]，③[t3]—[t4]，④[t4]—[t5]。在階段①內(nèi)，VSG的轉(zhuǎn)子角頻率大于額定角頻率且逐漸增加，角頻率的變化率[dω/dt]先增加再減小，因此在階段①內(nèi)需要通過增大轉(zhuǎn)動慣量J來減緩角頻率的變化率[dω/dt]以及增大阻尼系數(shù)D減少角頻率偏差量[Δω];在階段②內(nèi)，虛擬轉(zhuǎn)子角頻率的變化率[dω/dt<0]，角頻率[ω]由極大值逐漸減小，但是[ω>ω0]，該階段宜采用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動慣量值，使得角頻率能夠回到額定值，同時當(dāng)角頻率偏差量[Δω]偏離較大時應(yīng)該增大阻尼系數(shù)以防止角頻率的偏差量過大;階段③和④的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)的選取也類似。

在不同階段，VSG轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)的選取原則如表1所示。

根據(jù)表1的選取原則以及轉(zhuǎn)動慣量J和VSG角頻率變化率[dω/dt]之間的關(guān)系、阻尼系數(shù)D和VSG角頻率偏差量[Δω]之間的關(guān)系，確定J和D一同自適應(yīng)控制函數(shù)如下：

[J=J0， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?dωdt≤TjJ0+Kjdωdt， ? dωdt>Tj] ? ? ?（6）

[D=D0， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Δω≤TdD0+KdΔω， ?Δω>Td] ? ? ?（7）

式中：[J0]和[D0]分別為VSG穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)值;[Kj]和[Kd]分別為轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)的調(diào)節(jié)系數(shù);[Tj]和[Td]為變化閾值，選取合適的值可以避免系統(tǒng)判斷誤差造成的轉(zhuǎn)動慣量J和阻尼系數(shù)D的波動。

2.2 ?J，D自適應(yīng)控制原理框圖建立

根據(jù)上面轉(zhuǎn)動慣量J和阻尼系數(shù)D自適應(yīng)控制函數(shù)進(jìn)而設(shè)計了J和D自適應(yīng)控制原理框圖，如圖3所示。

3 ?VSG自適應(yīng)控制策略仿真驗(yàn)證

3.1 ?仿真工況

為了檢驗(yàn)本文提出的改進(jìn)離網(wǎng)VSG逆變器自適應(yīng)控制策略的有效性，搭建單臺離網(wǎng)VSG逆變器運(yùn)行的仿真模型。仿真參數(shù)如下：f=50 Hz，L=0.2 H，C=10 μF，[Udc]=800 V，[ω0]=314 rad/s，[J0]=0.5 kg·m2，[D0]=20 [N?m?s/rad]，[Tj]=2，[Td]=0.2，[Kj]=0.2，[Kd]=10。仿真時間設(shè)為1 s， VSG初始時刻帶12 kW的負(fù)載運(yùn)行，0.3 s時負(fù)載切除6 kW，0.6 s后負(fù)載恢復(fù)為12 kW。利用仿真實(shí)驗(yàn)來模擬負(fù)載擾動所帶來的頻率穩(wěn)定性問題。

3.2 ?仿真結(jié)果對比

圖4為在不同的控制策略下VSG輸出頻率的對應(yīng)曲線。當(dāng)離網(wǎng)負(fù)載的輸入功率突減時，本文分別采用參數(shù)恒定VSG控制、轉(zhuǎn)動慣量自適應(yīng)控制以及轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)一同自適應(yīng)控制策略，最后對比不同的控制策略下的輸出頻率曲線。

由圖4a）可知，轉(zhuǎn)動慣量自適應(yīng)VSG控制相對參數(shù)恒定VSG控制的方式，其頻率變化率的影響明顯。當(dāng)離網(wǎng)負(fù)載的輸入功率突減時，參數(shù)恒定控制方式下的VSG輸出頻率變化率比較快，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，而使用轉(zhuǎn)動慣量自適應(yīng)VSG控制策略時，其輸出頻率變化率比較緩慢，有利于離網(wǎng)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。由圖4b）對比可知，轉(zhuǎn)動慣量J和阻尼系數(shù)D一同自適應(yīng)控制相對參數(shù)恒定VSG控制的方式，其控制策略既減緩了輸出頻率的變化率又減小了頻率偏差，而頻率偏差的減小就是因?yàn)橐肓俗枘嵯禂?shù)自適應(yīng)控制，阻尼系數(shù)D自適應(yīng)增大對頻率偏差抑制很明顯。此外，為了體現(xiàn)暫態(tài)過程中轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的過程，圖5和圖6給出了兩者的變化過程。

圖5中轉(zhuǎn)動慣量在自適應(yīng)調(diào)節(jié)的過程中出現(xiàn)尖刺是在輸出頻率的拐點(diǎn)處VSG轉(zhuǎn)子角頻率過渡不平滑引起的?？梢钥闯觯?dāng)VSG有功功率突減時，頻率上升，轉(zhuǎn)動慣量增加，阻尼系數(shù)也增加，避免了頻率迅速上升以及頻率偏差過大，從而改善了系統(tǒng)頻率的動態(tài)響應(yīng)特性。

綜上，相比于參數(shù)恒定VSG控制和轉(zhuǎn)動慣量自適應(yīng)VSG控制，轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)一同自適應(yīng)的控制策略有更好的頻率動態(tài)調(diào)節(jié)性能，既減緩了輸出頻率的變化率又減小了頻率偏差，從而改善了逆變器的頻率動態(tài)響應(yīng)特性，增強(qiáng)了逆變系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 ?結(jié) ?論

離網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)載擾動會引起系統(tǒng)頻率波動甚至不穩(wěn)定，本文通過研究虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制策略，提出一種離網(wǎng)VSG逆變器轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)一同自適應(yīng)的控制策略，得到如下結(jié)論：

1） 改進(jìn)的自適應(yīng)控制策略不僅實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動慣量，而且還實(shí)現(xiàn)了阻尼系數(shù)的實(shí)時自適應(yīng)調(diào)節(jié)，既減緩了輸出頻率的變化率又減小了頻率偏差。

2） 改進(jìn)的控制策略能夠使逆變器系統(tǒng)輸出頻率維持在合理的范圍內(nèi)，進(jìn)一步改善系統(tǒng)頻率的動態(tài)響應(yīng)特性，增強(qiáng)逆變系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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作者簡介：袁臣虎（1979—），男，河北邯鄲人，博士，碩士生導(dǎo)師，副教授，研究方向?yàn)殡娔茏儞Q、新能源發(fā)電技術(shù)。

段斌偉（1993—），男，山西太原人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娔茏儞Q、新能源發(fā)電技術(shù)。

劉曉明（1968—），女，遼寧沈陽人，博士，博士生導(dǎo)師，教授，研究方向?yàn)閿嗦菲鳌⒅悄茈姎?、高壓電與絕緣技術(shù)。