基于無鎖相環(huán)的虛擬同步發(fā)電機離并網(wǎng)切換控制策略研究*

耿昊翔, 王維俊, 唐 帥, 張國平, 米紅菊

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事設(shè)施系,重慶 430000;2.軍事科學(xué)院 系統(tǒng)工程研究院,北京 100000)

0 引 言

隨著能源危機和環(huán)境污染的問題不斷加劇，節(jié)能減排勢在必行?！笆奈濉币?guī)劃提出了2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)[1]，基于化石燃料的傳統(tǒng)發(fā)電方式會造成大量二氧化碳的排放，不利于國家戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)，基于新能源的微電網(wǎng)發(fā)電必將成為趨勢。傳統(tǒng)的微電網(wǎng)逆變器控制缺乏足夠的阻尼和慣性，無法為電網(wǎng)電壓和頻率提供支撐，因此一些學(xué)者提出了虛擬同步發(fā)電機(VSG)控制技術(shù)，通過引入轉(zhuǎn)動慣量和阻尼，模擬同步發(fā)電機的運行特性，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性[2-4]。

微電網(wǎng)具有離網(wǎng)運行和并網(wǎng)運行2種運行模式。根據(jù)微電網(wǎng)運行的需要以及大電網(wǎng)的故障情況需在2種運行模式之間進行切換，由于微電網(wǎng)逆變器在2種模式下的控制方式存在著不同，在由離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的時候，電壓的幅值和相位不一致可能導(dǎo)致并網(wǎng)失敗，或者引起較大的電流沖擊以及功率的波動，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。因此,逆變器并離網(wǎng)的無縫切換控制對于微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行以及并網(wǎng)的電能質(zhì)量至關(guān)重要，也是目前研究的熱點之一。

由于dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系是目前分析同步電機運行最常用的一種坐標(biāo)變換,而dq變換需要的電網(wǎng)電壓矢量角通常需要鎖相環(huán)(PLL)來獲取[5]，因此PLL在VSG并網(wǎng)中具有廣泛的應(yīng)用。PLL會對系統(tǒng)動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)精度產(chǎn)生影響，許多學(xué)者不斷改進PLL技術(shù)或與之相關(guān)的控制算法。

文獻[6]應(yīng)用了一種改進的PLL，先獲取2π的余數(shù)，然后將其用作正弦函數(shù)后的PI控制器的輸入以消除相位接近0或2π時的突變。文獻[7]提出基于正弦波鎖定器的預(yù)同步控制，采用SLL獲取電網(wǎng)的電壓幅值和相位信息，提高系統(tǒng)控制精度和動態(tài)性能。文獻[8]基于雙二階廣義積分器的PLL提出了一種控制器狀態(tài)跟隨的并行切換方法, 可實現(xiàn)PQ與VSG控制2種模式下相位和電流指令的實時跟蹤,有效降低了切換時的沖擊。但由于電網(wǎng)電氣狀態(tài)量偏移較大，采用連續(xù)的實時跟蹤調(diào)節(jié)并不是十分有效可行，所以文獻[9]提出了一種恒定差量調(diào)節(jié)方法，待PLL輸出穩(wěn)定值后，通過信號恒定器將該定值持續(xù)輸出，然后與逆變器的輸出值作差通過PI調(diào)節(jié)器進入VSG算法來實現(xiàn)后續(xù)的調(diào)節(jié)。

但PLL本身受電網(wǎng)電壓波動、頻率偏移、電壓波形畸變等影響較大，會降低檢測精度，出現(xiàn)偏差，甚至可能出現(xiàn)失鎖[10]。采用相應(yīng)改善措施會增加PLL時間，影響整個控制系統(tǒng)響應(yīng)的速度。

根據(jù)上述分析，無PLL的預(yù)同步單元可以避免PLL對系統(tǒng)控制精度以及響應(yīng)速度的影響，降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜度。因此,本文采用基于無PLL的VSG離并網(wǎng)切換控制策略。

1 VSG的模型與控制

1.1 VSG的建模

本文中VSG采用三相電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，其拓撲圖如圖1所示。逆變器直流側(cè)由分布式電源提供直流電壓，經(jīng)開關(guān)管進行逆變并通過RLC后，輸出三相正弦電壓，可并網(wǎng)接入電網(wǎng)或離網(wǎng)接入本地負載。

圖1 VSG拓撲圖

控制部分由功率環(huán)及電壓電流控制環(huán)組成，經(jīng)功率環(huán)與參考電壓計算出機端指令電壓后，通過電壓電流控制環(huán)，經(jīng)空間矢量脈寬調(diào)制得到PWM波，從而控制開關(guān)管的通斷，達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。

1.2 VSG控制算法

1.2.1P-F控制

根據(jù)同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程式:

(1)

式中：J為轉(zhuǎn)動慣量；Tm為機械轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Kp為阻尼系數(shù)；ω為角頻率；ω0為額定角頻率；Pm為虛擬輸入機械功率；Pe為虛擬輸出電磁功率；Δω=ω-ω0。

同步發(fā)電機通過調(diào)速器對輸入功率進行控制，采用有功頻率下垂控制，即根據(jù)電網(wǎng)頻率來改變有功功率，這一特性可表示為

Pm=Pref+kp(ωref-ω)

(2)

式中：Pref為參考輸入機械功率；kp為有功功率下垂控制系數(shù)；ωref為角頻率參考值。

令ωref=ω0。兩式聯(lián)立可得：

(3)

其中,Dp=kp+Kpω。

VSG有功調(diào)頻控制如圖2所示。

圖2 有功功率控制框圖

1.2.2Q-U控制

VSG通過虛擬勵磁調(diào)節(jié)器控制勵磁電流來改變感應(yīng)電動勢，從而調(diào)節(jié)逆變器的輸出的無功功率。感應(yīng)電動勢在勵磁控制的作用下，將隨著輸出無功功率的增大而減小。VSG無功調(diào)壓控制方程可表示為

Us=Uref+Dq(Qref-Qe)

(4)

式中：Us為指令電壓值;Uref為參考電壓值;Qref為參考無功功率;Dq為無功功率下垂控制系數(shù);Qe為輸出的無功功率。

VSG無功調(diào)壓控制如圖3所示。

圖3 無功功率控制框圖

1.2.3 電壓電流雙閉環(huán)控制

本文采用PR控制，因為PI控制無法對正弦量實現(xiàn)無靜差控制，而PR控制可最大限度的消除目標(biāo)值與被控制量之間存在的靜差。理想的PR控制器在基波頻率處有一無窮增益，其傳遞函數(shù)如下：

(5)

式中：Kp1為PR控制的比例系數(shù)；Kr為諧振系數(shù)；ωc為諧振角頻率。

但理想的PR控制器現(xiàn)實中難以實現(xiàn)，且在非基頻處的增益很小，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生偏移時，無法有效抑制諧波。為了提高帶寬，且易于通過數(shù)字、模擬器件實現(xiàn)，采用準(zhǔn)PR控制器，其傳遞函數(shù)如下：

(6)

電壓電流雙閉環(huán)的控制框圖如圖4所示。

圖4 電壓電流環(huán)控制框圖

2 VSG離并網(wǎng)控制策略

2.1 VSG的并網(wǎng)模型

VSG的等效并網(wǎng)電路如圖5所示。

圖5 VSG并網(wǎng)等效電路圖

VSG輸出電壓為U∠θ，電網(wǎng)電壓為Ug∠θg，傳輸阻抗為R+jX，由S=UI*可得復(fù)功率為

(7)

因為X?R,所以有功功率為

(8)

無功功率為

(9)

2.2 VSG離并網(wǎng)模式切換

VSG采用準(zhǔn)同期并網(wǎng)的方式，在由并網(wǎng)切換成離網(wǎng)模式時，由于VSG模擬了同步發(fā)電機的機理和外特性，可以等效為一個電壓源，由于有虛擬阻尼及慣性的存在，輸出電壓幅值、相位和頻率可以保持，不會產(chǎn)生較大的沖擊，能夠?qū)崿F(xiàn)平滑地切換。

當(dāng)VSG由離網(wǎng)切換成并網(wǎng)模式時，由式(8)和式(9)可知，并網(wǎng)瞬間相位差會帶來有功功率的沖擊。由于VSG離網(wǎng)時輸出電壓和電網(wǎng)電壓幅值相差不大，此處假設(shè)U=Ug，對兩者作差得:

ΔU=Ugsin(ωgt+θg)-Usin(ωt+θ)=

(10)

由式(10)可知，電壓相位的不一致會導(dǎo)致VSG輸出電壓以及電網(wǎng)電壓之間產(chǎn)生最大值為2U的電壓差，由于線路阻抗值較小，會產(chǎn)生較大的沖擊電流，造成電力電子器件的損壞。因此,在切換時，要進行預(yù)同步控制，使逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的幅值、相位一致，滿足并網(wǎng)要求。

2.3 預(yù)同步控制策略

預(yù)同步控制一般包括相位預(yù)同步和電壓預(yù)同步，通過對逆變器的相角和電壓進行補償，從而使VSG輸出電壓和電網(wǎng)電壓一致。相位預(yù)同步控制的預(yù)同步向量圖如圖6所示。

圖6 預(yù)同步向量圖

相位預(yù)同步原理：令Ug∠θg與d軸重合，調(diào)節(jié)逆變器的輸出相位，使Ug∠θg在q軸分量等于0，此時θ=θg，完成相位的預(yù)同步控制。

由于相角在0～2π范圍周期變化，因此，VSG輸出電壓與電網(wǎng)的相角差會出現(xiàn)符號的跳變現(xiàn)象，在進行PI控制時會對控制過程造成影響。因此,不直接對相角差進行PI控制，而是對角頻率的差值進行控制。

此處將Δω疊加在角頻率ω反饋點之后，這樣Δω的注入不會影響有功下垂控制回路，也不受P-F控制回路慣性特性的影響，可以大幅加快相位跟蹤誤差收斂速度。

相位預(yù)同步控制框圖如圖7所示。

圖7 相位預(yù)同步控制框圖

圖7中kp1為PI控制的比例系數(shù)，ki為PI控制的積分系數(shù)。

對電網(wǎng)電壓Ug進行αβ變換，得到Ugα和Ugβ,計算得幅值與VSG輸出電壓幅值比較后，對差值進行PI調(diào)節(jié)，將PI調(diào)節(jié)器輸出的ΔU反饋回?zé)o功功率環(huán)，使VSG輸出電壓的幅值逐漸與電網(wǎng)同步。

電壓預(yù)同步控制框圖如圖8所示。

圖8 電壓預(yù)同步控制框圖

對Δω、ΔU進行限幅處理，以避免電網(wǎng)頻率和電壓的大幅波動，同時還引入了積分抗飽和環(huán)節(jié)以加速調(diào)節(jié)恢復(fù)過程，2個限幅模塊的取值直接影響同步調(diào)節(jié)過程。

實際并網(wǎng)過程中，為了使VSG輸出電壓和電網(wǎng)電壓保持同步，收到預(yù)同步信號時，起動預(yù)同步控制單元。當(dāng)Δω、ΔU滿足條件時觸發(fā)并網(wǎng)信號，即可實現(xiàn)VSG和電網(wǎng)的并網(wǎng)。當(dāng)成功并網(wǎng)后，退出預(yù)同步控制單元。

3 仿真驗證

為了驗證本文所提控制策略的可行性，通過MATLAB/Simulink搭建了模型進行仿真，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

仿真工況：初始時VSG處于離網(wǎng)模式，帶本地負載運行，0.3 s后收到信號起動預(yù)同步控制，約0.32 s時滿足并網(wǎng)條件，閉合并網(wǎng)開關(guān)，同時退出預(yù)同步控制單元，完成離網(wǎng)到并網(wǎng)的切換，VSG并網(wǎng)運行。圖9～圖12為仿真波形。

圖9 輸出電壓波形

圖10 輸出頻率波形

圖11 輸出相位波形

圖12 VSG輸出功率波形

由圖9可以看出，在并網(wǎng)前后VSG的輸出電壓波動很小，三相正弦波形較好，未出現(xiàn)畸變。僅在并網(wǎng)瞬間有略微的波動，最大幅值約為320 V。根據(jù)GB/T29319—2012《光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》,定義了接入用戶側(cè)配電系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并網(wǎng)點電壓在90%～110%標(biāo)稱電壓之間時，光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)能正常運行。電壓最大波動為3.2%,滿足要求。

電網(wǎng)電壓僅在并網(wǎng)瞬間有輕微的波動，隨后又變?yōu)榉€(wěn)定的三相交流電，VSG并網(wǎng)未對電網(wǎng)電壓造成沖擊。

由圖10可以看出，在并網(wǎng)前后VSG的輸出頻率波動很小，在±0.2 Hz范圍內(nèi)波動,并網(wǎng)后能跟隨電網(wǎng)頻率保持在50 Hz。

在并網(wǎng)瞬間電網(wǎng)的頻率有不超過0.2 Hz的波動，隨后穩(wěn)定在50 Hz運行。

由圖11可以看出，在預(yù)同步信號發(fā)出后，VSG電壓相位開始跟隨電網(wǎng)，在并網(wǎng)前實現(xiàn)了同步，預(yù)同步環(huán)節(jié)用時0.02 s，在0.32 s時滿足并網(wǎng)要求，保證了VSG并網(wǎng)的平滑切換。

由圖12可以看出，在并網(wǎng)后VSG的輸出功率能夠跟隨指令值變化且未出現(xiàn)較大的功率沖擊。

同時在相同仿真工況下，對比傳統(tǒng)的有PLL的控制策略，由于取消了PLL環(huán)節(jié)，簡化了控制算法，預(yù)同步時間明顯縮短，且并網(wǎng)切換時振蕩更小，更加快速完成了離并網(wǎng)的切換。

4 結(jié) 語

本文針對微電網(wǎng)的運行特性，提出了一種基于無PLL的VSG離并網(wǎng)切換控制策略。通過取消PLL，降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，避免了PLL對系統(tǒng)控制精度以及響應(yīng)速度的影響，縮短了預(yù)同步的時間，加快完成了離并網(wǎng)的切換，控制算法簡單的優(yōu)勢明顯。同時，本文不采集Δθ，而是直接將Δω反饋回功率環(huán)，避免了θ相位突變帶來的影響。此外，將Δω疊加在角頻率ω反饋點之后，使得Δω的注入不會影響有功控制回路，也不受P-F控制回路慣性特性的影響，并引入了積分抗飽和環(huán)節(jié)以加速調(diào)節(jié)恢復(fù)過程，可以大幅加快跟蹤誤差收斂速度。

該控制策略能夠有效地保證VSG輸出電壓的幅值和相位在并網(wǎng)前快速地追蹤上電網(wǎng)電壓，避免了在切換瞬間出現(xiàn)電流沖擊或電壓畸變，實現(xiàn)了平滑的切換。仿真結(jié)果驗證了本文所提策略的正確性和有效性。