考慮饋線阻抗的虛擬電阻補償VSG控制策略

閆斌斌，葛 亮，王偉宏，王 曦，郜 磊

(國網(wǎng)山西省電力公司檢修分公司，太原 030000)

0 引 言

下垂控制根據(jù)電壓源逆變器輸出功率控制逆變器輸出參考電壓幅值與頻率。當(dāng)并列運行的微源逆變器饋線阻抗和負(fù)載功率因數(shù)相同時，各微源可以相互獨立地通過下垂控制實現(xiàn)輸出功率自動分配，實現(xiàn)熱插拔和熱冗余運行，并且在并離網(wǎng)模式下通用。然而由于微源逆變器饋線阻抗的影響，傳統(tǒng)下垂控制無法實現(xiàn)功率的精確分配和消除功率耦合問題，從而影響微網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

低壓微網(wǎng)中，通過微源逆變器功率傳輸后，由于隔離變壓器和阻性線路的影響，會使逆變器的傳輸阻抗中阻性分量增大到不可忽略，進而需要加入較大虛擬電阻來補償逆變器傳輸阻抗中的阻性分量，從而降低并聯(lián)運行的微源逆變器的穩(wěn)定性[1-4]。通過虛擬坐標(biāo)變換，把傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率可以進行解耦控制，當(dāng)并聯(lián)運行的微源逆變器的饋線阻抗角相同時，通過下垂控制可以實現(xiàn)功率的精準(zhǔn)分配[5-6]。

與傳統(tǒng)下垂控制相比，基于虛擬同步發(fā)電機(Virtual Synchronous Generator，VSG)技術(shù)的逆變器控制策略通過將分布式電源與儲能系統(tǒng)等效模擬為同步發(fā)電機，有效解決系統(tǒng)欠阻尼、低慣性的問題，從而極大地提高了微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7]。文獻[8]中提出的VSG技術(shù)采用有慣性的下垂控制，通過有功功率與無功功率解耦，分別設(shè)置有功下垂系數(shù)和無功下垂系數(shù)，但是均為對逆變器傳輸阻抗進行補償?shù)脑O(shè)計問題。

為使VSG技術(shù)更廣泛地應(yīng)用于低壓微電網(wǎng)，提出一種改進的虛擬同步發(fā)電機控制策略。該策略在現(xiàn)有的VSG控制策略基礎(chǔ)上，通過對逆變器輸出功率進行虛擬坐標(biāo)變換，并在考慮饋線支路阻抗差異的基礎(chǔ)上，加入虛擬電阻補償，實現(xiàn)了不同饋線阻抗下并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行以及各微源逆變器功率的精確分配和無環(huán)流輸出。

1 改進的VSG等效模型

1.1 LC型的VSG并網(wǎng)系統(tǒng)

LC型的VSG并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路圖如圖1所示。

圖1中：e為VSG的內(nèi)電勢；Ug為電網(wǎng)公共交流母線電壓；L和C為VSG輸出濾波電容和電感；Lg和Rg為并網(wǎng)線路的饋線電感和電阻。

圖1 LC型的VSG并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路圖

1.2 改進的LC型的VSG并網(wǎng)系統(tǒng)

改進的VSG等效模型如圖2所示，將模型按同步發(fā)電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行物理等效，圖中逆變器輸出電壓uioabc為改進VSG的內(nèi)電勢，δi為內(nèi)電勢對應(yīng)的功角；LC濾波器、并網(wǎng)線路的饋線阻抗和隔離變壓器漏感的阻抗值中阻性分量為電樞電阻R，感性分量為同步電感L；upccabc為公共交流母線電壓，改進的VSG的端電壓；uivabc為加入虛擬電阻Riv補償后改進VSG的等效內(nèi)電勢。

圖2 改進的VSG并聯(lián)到無窮大系統(tǒng)等效模型

該等效方式下，改進的VSG技術(shù)的功率控制和電流電壓雙環(huán)控制可以獨立設(shè)計。VSG輸出功率Pi、Qi的功率環(huán)控制時，可以通過下垂技術(shù)調(diào)節(jié)VSG內(nèi)電勢uivabc的頻率和幅值，只需考慮饋線阻抗。設(shè)計電壓電流雙環(huán)時僅需考慮LC濾波的影響。

2 VSG控制策略

2.1 虛擬坐標(biāo)變換下垂控制

低壓微電網(wǎng)中，饋線阻抗中阻性分量較大，可以采用虛擬坐標(biāo)變換下垂控制[5]，有功功率和無功功率的解耦變換如式(1)和式(2)所示：

(1)

(2)

式中：αi(i=1，2)為逆變器i的饋線阻抗角;Pi、Qi為VSG輸出的有功功率和無功功率。

有功環(huán)和無功環(huán)下垂控制方程如式(3)所示：

(3)

式中：Dip、Diq分別為有功環(huán)下垂系數(shù)和無功環(huán)下垂系數(shù);ω和ωn為逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的輸出角頻率和額定角頻率;Uio、Un分別為輸出的實際電壓和額定電壓。

虛擬坐標(biāo)變換下垂控制可實現(xiàn)逆變器傳輸?shù)挠泄蜔o功功率的解耦控制。當(dāng)多臺微源逆變器并聯(lián)運行時，只有逆變器的饋線阻抗角相同且幅值與所連接逆變器容量成反比才能實現(xiàn)功率的精確分配和無環(huán)流輸出。

2.2 虛擬電阻控制

在多臺改進的VSG并聯(lián)系統(tǒng)中，由于饋線中包含隔離變壓器和不同Upcc點接入負(fù)荷的差異導(dǎo)致饋線阻抗的阻抗角和幅值不同，為實現(xiàn)功率的精確分配則需要進入虛擬電阻。虛擬電阻補償方法可以等效為在饋線中串聯(lián)了電阻，通過虛擬電阻來補償饋線阻抗的阻抗角，使得等效饋線阻抗具有相同的阻抗角。

等效饋線阻抗Zi(Zi=Ri+jXi)，其中Ri為阻性分量，Xi為感性分量，等效饋線阻抗角可以根據(jù)系統(tǒng)對有源阻尼的要求靈活設(shè)置。設(shè)定各臺改進的VSG具有相同的等效饋線阻抗角αn，則需要串入的虛擬電阻阻值為

Riv=Xicotαn-Ri

(4)

由于實際系統(tǒng)中饋線阻抗可能會因負(fù)荷發(fā)生變化，串入虛擬電阻也得隨著饋線阻抗的變化實時調(diào)整。可以通過通信采集的Upcc幅值和相位以及逆變器本地的電壓電流信息計算出饋線阻抗Zi。

饋線阻抗Zi具體可由方程式(5)～(7)求出：

(5)

(6)

(7)

式中:δi為Uio與Upcc的相位差。

式(6)、(7)所描述的饋線電壓相量如圖3所示。

圖3 饋線的電壓相量圖

實際運行的系統(tǒng)中，負(fù)載功率因數(shù)和負(fù)荷不是時刻變化，虛擬電阻動態(tài)調(diào)整沒必要自適應(yīng)適時調(diào)整。采集Upcc幅值和相位的通信延時不影響Zi的準(zhǔn)確獲取電壓和功率的調(diào)節(jié)，也能克服虛擬電阻引起Upcc點電壓降低的問題。計算出Zi后，再按式(6)計算出Upcc，然后再作為無功環(huán)的一次調(diào)壓標(biāo)準(zhǔn)電壓。所以提出的改進VSG控制策略對通信的實時性要求不高。

3 仿真實驗結(jié)果與分析

3.1 仿真結(jié)果與分析

基于Matlab/Simulink搭建包括2臺改進的VSG和3個負(fù)載的仿真模型。3個負(fù)載(load1、load2、load3)的功率分別為：3 kW；6 kW；3 kW/3 kvar。為驗證控制策略的有效性，饋線阻抗Z1、Z2分別設(shè)置為偏阻性、偏感性，仿真參數(shù)如表1所示。仿真設(shè)置為：初始時刻load1和load2投入運行，0.2 s時刻load3投入，0.4 s時刻load2切出，0.6 s時刻load2再次切入，0.8 s時刻load3切出。仿真結(jié)果如圖4～6所示。

表1 微電網(wǎng)仿真參數(shù)Table 1 Microgrid simulation parameters

由圖4可知,在負(fù)載突增、突減和負(fù)載功率因數(shù)變化時，所提控制策略可以實現(xiàn)交流母線電壓的穩(wěn)定控制，電壓的動態(tài)過程持續(xù)時間均為4個周波；在負(fù)載突增的動態(tài)過程中(0.2 s和0.6 s處)，三相電壓有效值平滑過渡到新的穩(wěn)定值；在負(fù)載突減的動態(tài)過程中(0.4 s和0.8 s處)，三相電壓有效值分別經(jīng)不同的波動也過渡到新的穩(wěn)定值；在0.4 s處的電壓幅值波動較大，但仍在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

圖4 三相交流母線電壓有效值Uapcc、Ubpcc、Ucpcc

由圖5可知，2臺改進的VSG可以快速地實現(xiàn)電網(wǎng)頻率的準(zhǔn)確鎖定，頻率突變的動態(tài)響應(yīng)過程平滑，振蕩幅度較小，因而改進的VSG可以有效地模擬同步發(fā)電機的慣性和阻尼特性。

圖5 2臺改進VSG的輸出頻率和鎖相環(huán)檢測的微電網(wǎng)頻率

圖6為采用瞬時功率方法得到的2臺改進VSG輸出的有功和無功功率，可知改進VSG輸出功率的變化也具有一定慣性。此外，在VSG虛擬電阻補償控制下，并聯(lián)系統(tǒng)能夠很快到達穩(wěn)態(tài)狀態(tài)且功率波動很小，2臺改進VSG的輸出功率能精確分配，并聯(lián)系統(tǒng)無基波環(huán)流。

圖6 2臺改進VSG輸出的有功功率和無功功率

由圖4～6可得，在負(fù)載有功功率變化時(0.4 s和0.6 s處)，微電網(wǎng)的頻率和電壓幅值均會改變，這表明功率和電壓頻率、幅值的調(diào)節(jié)存在耦合，進而表明控制策略中功率虛擬坐標(biāo)變換的必要性和有效性。

3.2 實驗結(jié)果與分析

在容量為10 kVA的VSG實驗平臺上進行實驗驗證，實驗參數(shù)見表2。VSG功率階躍時Upcc點電壓和電流變化如圖7所示。

表2 實驗參數(shù)Table 2 Experimental parameter

圖7 VSG功率階躍時Upcc點電壓和電流變化

由圖7可知，VSG能夠快速響應(yīng)負(fù)載的突變，有功突變的動態(tài)過程約為1個工頻周波，該控制策略可以滿足負(fù)荷突變時穩(wěn)定運行。

4 結(jié) 語

針對虛擬同步發(fā)電機技術(shù)及其在低壓微電網(wǎng)微源逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了研究，考慮饋線阻抗的影響，提出了改進虛擬電阻補償?shù)腣SG控制策略，最后通過仿真和實驗驗證了所提控制策略的準(zhǔn)確性和有效性。所提的改進VSG等效模型和控制策略具有以下特點：

1)該控制策略雖然需通信采集交流母線電壓的幅值和相位來計算饋線阻抗，進而計算出實時的母線電壓幅值和改進VSG的輸出功率作為微源逆變器本地的控制信號，但其對通信快速性要求不高，并且通過計算來獲取饋線阻抗避免了饋線阻抗測量困難的缺點，同時使得無功的精確分配易于實現(xiàn)。

2)該控制策略通過對改進VSG的輸出功率進行虛擬坐標(biāo)變換來實現(xiàn)功率的解耦；通過虛擬電阻補償使得等效饋線阻抗具有相同的阻抗角，并且等效饋線阻抗角可以根據(jù)系統(tǒng)對阻尼的要求靈活設(shè)置。這兩點改進可以保證饋線阻抗差異下并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行以及各微源逆變器之間無環(huán)流輸出。