孤島下交直流混合微電網(wǎng)的VSG控制策略

薛 易， 張 帥， 陳 元

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

隨著國家大力提倡可再生能源，以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等為主的分布式電源組成的微網(wǎng)越來越多的接入大電網(wǎng)中。微電網(wǎng)根據(jù)母線種類不同，可分為交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)[1]。交流微電網(wǎng)可解決新能源電源大量接入的問題，直流微電網(wǎng)無需考慮同期及無功問題[2]。交直流混合微電網(wǎng)兼具直流微網(wǎng)和交流微網(wǎng)兩者的特點(diǎn)，因此，成為未來微電網(wǎng)的主要發(fā)展趨勢。交直流混合微電網(wǎng)中的功率雙向變換器不僅控制著交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)之間能量的傳遞，而且對于維持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。李峰等[1]針對混合微電網(wǎng)運(yùn)行時缺少阻尼和慣性，提出了雙向功率變換器的VSG控制策略，使交流頻率和直流母線電壓獲得了良好的慣性。蔡文超等[3]利用直流側(cè)的有功變化量控制雙向變換器的運(yùn)行狀態(tài)，省去了歸一化的計(jì)算，使控制策略變得簡單。董棟等[4]在分析了雙向功率變換器的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，提出了用電壓電流雙閉環(huán)的控制策略來實(shí)現(xiàn)對雙向變換器的控制。焦皎等[5]等提出了一種改進(jìn)的雙下垂控制策略，在控制策略中加入了負(fù)序控制，實(shí)現(xiàn)了并離網(wǎng)模式的平滑切換。張國榮等[6]提出了一種自適應(yīng)下垂控制，將交流頻率和直流電壓數(shù)值的微分量加入下垂系數(shù)中，提高系統(tǒng)的慣性和動態(tài)性能。上述提出的控制策略都能實(shí)現(xiàn)有功功率的均勻分配，但是由于電力電子器件的大量存在使混合微電網(wǎng)缺少阻尼和慣性，尤其在孤島運(yùn)行狀態(tài)下，交流頻率和直流母線電壓的突變對混合微電網(wǎng)的安全運(yùn)行提出了更高的挑戰(zhàn)。筆者在雙向功率變換器VSG控制模型基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)VSG控制策略引入交流微網(wǎng)的微源逆變器，增大交流頻率慣性來源，對比微源逆變器的VSG控制，將阻尼系數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量引入直流微網(wǎng)的變流器，增大直流母線電壓慣性來源，通過搭建仿真模型，驗(yàn)證所提控制策略的有效性。

1 交直流混合微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

典型的交直流混合微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。交流母線可通過并網(wǎng)開關(guān)和電網(wǎng)連接。直流子網(wǎng)和交流子網(wǎng)通過功率雙向變換器連接[7-10]。分布式發(fā)電單元，儲能裝置和負(fù)荷分別通過微源逆變器和變流器接入交流母線和直流母線。

圖1 交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 AC-DC hybrid microgrid structure

2 交流負(fù)荷側(cè)DC-AC的VSG控制

電壓型逆變器的拓?fù)浜涂刂平Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電壓型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 2 Topological structure of voltage inverter

2.1 有功—頻率調(diào)節(jié)器

同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程[2]為

式中：J——轉(zhuǎn)動慣量；

ωN——額定角頻率；

ω0——為空載角頻率；

ω——實(shí)際角頻率；

Pm——機(jī)械功率；

Pe——電磁功率；

D——阻尼系數(shù)；

δ——功角。

因此，可以得到孤島模式下的有功—頻率的控制如圖3所示。

圖3 有功—頻率控制Fig. 3 Active power-frequency control

根據(jù)圖3有功-頻率控制可得

(1)

將ω0=ωN代入式(1)并化簡可得

式中：τ——一階慣性時間常數(shù)；

mp——有功-頻率下垂系數(shù)。

由式(1)可知，VSG控制本質(zhì)屬于下垂控制，在下垂控制基礎(chǔ)上，增加了一節(jié)慣性時間常數(shù)τ，使系統(tǒng)不僅具有下垂控制一樣的靜態(tài)特性，更使作系統(tǒng)具有了慣性和穩(wěn)性。系統(tǒng)具備了慣性，使得系統(tǒng)更具有穩(wěn)定性。

2.2 無功—電壓調(diào)節(jié)器

Uref=UN+KV(Qref-Q)，

(2)

式中：Uref——輸出參考電壓；

UN——額定電壓；

KV——無功—電壓下垂系數(shù)；

Qref——無功功率參考值；

Q——輸出無功功率。

根據(jù)式(2)可以得到，無功-電壓控制原理，如圖4所示。交流子網(wǎng)中微源逆變器的控制原理如圖5所示。

圖4 無功-電壓控制Fig. 4 Reactive-voltage control

圖5 逆變器VSG控制Fig. 5 Inverter VSG control

3 雙向功率變換器的VSG控制

三相電壓源型交直流母線雙向功率變換器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。ia、ib、ic為交流側(cè)的三相電流，I為其合成向量；ea、eb、ec為功率變換器的輸入電壓，E為其合成向量；ua、ub、uc為交流側(cè)三相電壓，U為其合成向量。

圖6 功率變換器結(jié)構(gòu)Fig. 6 Power converter structure

交流子網(wǎng)和功率變換器之間交換的有功功率和無功功率分別為

(3)

(4)

式中：XL——濾波電抗；

交流側(cè)的電壓方程為

(5)

由式(3)可知，通過控制δ可以實(shí)現(xiàn)混合微網(wǎng)之間有功功率傳輸?shù)拇笮『头较?。?guī)定當(dāng)有功功率從直流微電網(wǎng)傳輸?shù)浇涣魑㈦娋W(wǎng)的方相向?yàn)檎较?。?dāng)δ>0時，功率變換器處于逆變狀態(tài)，直流子網(wǎng)傳輸有功功率到交流子網(wǎng)，傳輸?shù)挠泄β蔖>0；當(dāng)δ<0時，功率變換器處于整流狀態(tài)，交流子網(wǎng)傳輸有功功率到直流子網(wǎng)，傳輸?shù)挠泄β蔖<0。

在交直流母線雙向功率變換器的VSG控制中，文中采用控制交流側(cè)的頻率和直流側(cè)的電壓來模擬同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程，虛擬勵磁部分模擬同步電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)。通過模擬VSG的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程和勵磁調(diào)節(jié)，最終可以得到虛擬電動勢，由式(5)便可以得到發(fā)電機(jī)機(jī)端的參考電壓。

3.1 頻率—電壓控制

在交流微電網(wǎng)中，轉(zhuǎn)子的機(jī)械運(yùn)動方程為

(6)

(7)

由式(6)、(7)可知，交流微網(wǎng)中的有功功率變化量為

(8)

在直流微網(wǎng)中，由于其電源的分散性質(zhì)，因此，一般具有下垂特性，其公式為

Pdc=kdc(udc-UdcN)，

(9)

式中：Udc——直流母線的實(shí)際電壓；

UdcN——直流母線的額定電壓；

kdc——下垂系數(shù)；

Pdc——直流微電網(wǎng)輸出的有功功率。

在系統(tǒng)中，根據(jù)混合微電網(wǎng)有功功率瞬時變化量相同的性質(zhì)，可以得到

ΔP=Pdc。

(10)

將式(8)、(9)代入式(10)，有

(11)

由式(11)可知，通過控制交流側(cè)的角速度ω和直流側(cè)的電壓udc實(shí)現(xiàn)交直流母線雙向功率變換器的VSG控制。

交流微電網(wǎng)中有功功率的變化量D(ω-ωN)和直流微網(wǎng)中的輸出功率Pdc分別為交流頻率和直流電壓提供慣量，維持交直流混合微電網(wǎng)瞬時的有功功率的平衡性。

當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)平衡時，交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)分別獨(dú)立運(yùn)行，此時，交流頻率和直流電壓穩(wěn)定，

(12)

將式(12)代入式(11)，有D(ω-ωN)=kdc·(udc-UdcN)。當(dāng)忽略阻尼繞組作用時，阻尼系數(shù)D和交流子網(wǎng)的下垂系數(shù)ku相等，有

基于市場營銷模式下，我國企業(yè)經(jīng)濟(jì)管理存在的主要問題還包括企業(yè)組織結(jié)構(gòu)和管理模式的問題。目前，我國很多企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)比較單一，而管理模式也不夠多樣化，缺少創(chuàng)新性。這其中很大原因是因?yàn)槠髽I(yè)自身的管理制度不完善而導(dǎo)致的。

ku(ω-ωN)=kdc(udc-UdcN)。

(13)

由式(13)表明，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)都具有下垂特性。

3.2 虛擬勵磁調(diào)節(jié)器

E=Eref+kq(Qref-Q)，

式中：E——虛擬電勢有效值；

Eref——空載電動勢；

kq——無功下垂系數(shù)；

Qref——無功功率參考值；

Q——無功功率有效值。

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)出雙向功率變換器的VSG控制，如圖7所示。

圖7 功率變換器VSG控制Fig. 7 Power converter VSG control

4 變流器的類虛擬同步電機(jī)控制

直流微電網(wǎng)中，直流電壓是衡量直流微網(wǎng)穩(wěn)定的指標(biāo)。因此，在直流微電網(wǎng)中，應(yīng)當(dāng)阻止直流母線電壓的大幅度振蕩和突變。對比傳統(tǒng)逆變器的VSG算法，在直流子網(wǎng)中同樣引入轉(zhuǎn)動慣量J和阻尼系數(shù)D，使直流子網(wǎng)母線電壓得到慣性支持，減小直流母線電壓的波動。結(jié)合直流微電網(wǎng)的下垂特性，可以得到直流母線電壓為

(14)

式中：Udc——直流母線實(shí)際電壓；

Uref——直流母線參考電壓；

P——直流微源輸出功率。

根據(jù)式(14)，設(shè)計(jì)出直流微網(wǎng)DC-DC變換器的控制，如圖8所示。

圖8 變流器控制Fig. 8 Converter control

5 仿真結(jié)果與分析

利用Matlab/Simiulink來搭建如圖1所示交直流混合微電網(wǎng)的模型。

逆變模式，在t=1 s時，交流側(cè)負(fù)荷增加約4 kW,雙向功率變換器處于逆變狀態(tài)，t=4 s時，交流側(cè)負(fù)荷減少，雙向功率變換器中流過約3 kW的有功功率。圖9為采用VSG控制時交直流混合微電網(wǎng)的直流電壓、交流頻率和傳輸?shù)挠泄β?。圖10為采用傳統(tǒng)下垂控制時混合微電網(wǎng)的直流母線電壓、交流頻率和有功功率。通過對比圖9和圖10可以看出，系統(tǒng)采用傳統(tǒng)下垂控制時響應(yīng)速度很快(約為0.1 s)。在響應(yīng)過程中，直流電壓的波動最大為2 V左右，交流頻率的波動最大約為0.5 Hz。而在VSG控制下，直流電壓和交流頻率約經(jīng)過0.5 s到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)過程，響應(yīng)速度相比下垂控制較慢，而且在響應(yīng)過程中，直流電壓和交流頻率的最大波動分別為1 V和0.2 Hz，波動程度更小。

圖9 VSG控制仿真波形Fig. 9 VSG control simulation waveform

圖10 下垂控制仿真波形Fig. 10 Simulation waveform of droop control

整流模式，當(dāng)t=1 s時，直流側(cè)負(fù)荷增加約4 kW，雙向功率變換器處于整流狀態(tài)，當(dāng)t=4 s時，直流側(cè)負(fù)荷減少，雙向功率變換器中流過約-2 kW的有功功率。圖11為采用VSG控制時交直流混合微電網(wǎng)的交流頻率、直流母線電壓和傳輸?shù)挠泄β?。圖12為采用傳統(tǒng)下垂控制時混合微電網(wǎng)的交流頻率、直流母線電壓和傳輸?shù)挠泄β?。通過對比圖11和圖12可以看出，系統(tǒng)采用傳統(tǒng)下垂控制時響應(yīng)速度很快(約為0.1 s)；在響應(yīng)過程中，直流電壓的波動最大為3 V左右，交流頻率的波動最大約為0.5 Hz。而在VSG控制下，直流電壓和交流頻率大約經(jīng)過0.5 s到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)過程，響應(yīng)速度相比下垂控制較慢，而且在響應(yīng)過程中，直流電壓和交流頻率的最大波動分別為1 V和0.1 Hz，波動程度更小。

圖11 VSG控制仿真波形Fig. 11 VSG control simulation waveform

圖12 下垂控制仿真波形Fig. 12 Simulation waveform of droop control

綜上所述，在孤島模式下，無論混合微電網(wǎng)處于逆變模式還是整流模式下，當(dāng)采用VSG控制策略時，直流電壓和交流頻率都會經(jīng)過較長的時間到達(dá)穩(wěn)態(tài) ，具有良好的慣性，而且在響應(yīng)過程中電壓和頻率的波動均小于傳統(tǒng)下垂控制。

6 結(jié) 論

(1)根據(jù)混合微電網(wǎng)內(nèi)有功功率的平衡性，設(shè)計(jì)出了雙向功率變換器的VSG控制,為交流子網(wǎng)的頻率和直流子網(wǎng)母線的電壓提供慣量支持，在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，直流子網(wǎng)和交流子網(wǎng)都具有下垂特性。

(2)為進(jìn)一步擴(kuò)大交流頻率的慣性來源，提出了交流子網(wǎng)測微源逆變器的VSG控制，將轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)引入直流子網(wǎng)的下垂方程中，得到了直流子網(wǎng)變流器的類VSG控制。

(3)通過仿真表明，在全虛擬電機(jī)控制策略下，直流母線電壓和交流頻率都獲得了良好的慣性，相比于傳統(tǒng)雙下垂控制，波動范圍更小，使交直流混合微電網(wǎng)在孤島下更加穩(wěn)定。