基于VSG的大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)功率變換器并網(wǎng)控制策略與穩(wěn)定性研究*

陳佳橋 陳旭海 陳 愷 文本穎 郭燕強(qiáng) 葉恒志

(中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,福建 福州 350003)

1 概述

隨著分布式能源滲透率的逐步提高，由于分布式能源的隨機(jī)性、波動(dòng)性、不間斷性，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。因此，分布式能源接入電網(wǎng)時(shí)需要采用儲(chǔ)能[1]系統(tǒng)進(jìn)行配合，確保電網(wǎng)穩(wěn)定性及安全性。

分布式能源控制靈活、響應(yīng)速度快，但是缺少慣性和阻尼特性，無(wú)法為系統(tǒng)頻率提供慣性支撐。將傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)所具有的優(yōu)良特性加入分布式電源的并網(wǎng)功率變換器中，分布式電源的性能必將得到大幅度提升。在此背景下，虛擬同步機(jī)(Virtual Synchronous Generator，VSG)[2-4]的控制策略應(yīng)運(yùn)而生。并網(wǎng)功率變換器采用虛擬同步機(jī)的控制策略可以在一定程度上改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

儲(chǔ)能功率變換器(PCS)[5]作為整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)完成儲(chǔ)能介質(zhì)與電網(wǎng)/負(fù)載的能量交互，因此PCS的控制性能直接決定了整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。虛擬同步儲(chǔ)能變換器除了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能變換的基本功能外，還兼具調(diào)頻調(diào)壓以及模擬同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行的特性。

本文闡述了虛擬同步機(jī)控制策略，模擬了同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械模型與有功下垂特性，建立了虛擬同步機(jī)的功頻控制器結(jié)構(gòu)。提出了VSG并網(wǎng)預(yù)同步控制策略[6-8]，實(shí)現(xiàn)在并網(wǎng)前，虛擬同步機(jī)輸出電壓具有與電網(wǎng)電壓一樣的幅值與相位，除了具備VSG本身的慣性和阻尼外，并網(wǎng)狀態(tài)下能夠自同步，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2 虛擬同步機(jī)模型建立

2.1 同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

本研究選用隱極式同步發(fā)電機(jī)為例，假設(shè)氣隙均勻，無(wú)阻尼繞組，且極對(duì)數(shù)為1，建立其電氣模型與機(jī)械模型。其物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三相隱極式同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖中，a、b、c三相定子繞組之間相差120°，電感值均為L(zhǎng)，兩兩之間的互感值為M。勵(lì)磁繞組的旋轉(zhuǎn)速度為w，電感值為L(zhǎng)f，a、b、c三相定子繞組的互感值分別為Maf、Mbf、Mcf，勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)也以角速度ω旋轉(zhuǎn)，于是可以得到：

(1)

式中，Mf為勵(lì)磁繞組與a、b、c三相定子繞組間的最大互感。

根據(jù)圖1所示的同步發(fā)電機(jī)模型，各相繞組上的磁鏈均為自身電流產(chǎn)生的磁鏈與其余繞組電流在該繞組產(chǎn)生的磁鏈之和，可以建立三相定子繞組磁鏈方程與轉(zhuǎn)子磁鏈方程為：

(2)

式(2)中，ia、ib、ic分別為a、b、c三相繞組上的電流，if為勵(lì)磁繞組上的電流。Ψa、Ψb、Ψc為a、b、c三相繞組上的磁鏈，Ψf為勵(lì)磁繞組上的磁鏈。

對(duì)于三相對(duì)稱模型，有三相定子電流幅值相等，相位相差120°，即有：

ia+ib+ic=0

(3)

于是可以將上述方程簡(jiǎn)化為：

(4)

假定各相定子繞組的電阻值為Rs，可以得到同步發(fā)電機(jī)三相輸出電壓為：

(5)

將三相定子磁鏈方程帶入電壓方程化簡(jiǎn)后得到：

(6)

式中Ls=L-M，上述方程反映出同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓由兩部分組成，一部分為三相繞組上的電流在Ls與Rs上產(chǎn)生的壓降，另一部分為勵(lì)磁電流在三相繞組上產(chǎn)生的壓降，這一部分稱為同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)電勢(shì)，其表達(dá)式為：

(7)

勵(lì)磁電流if在同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)為恒定值，其變化率為0，因此三相定子繞組內(nèi)電勢(shì)可以化為：

(8)

式中，θ為轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)與a相定子繞組之間的夾角，根據(jù)上述方程可以建立同步發(fā)電機(jī)的單相等效電路模型如圖2所示。

圖2 同步發(fā)電機(jī)等效電路模型

同步發(fā)電機(jī)機(jī)械部分轉(zhuǎn)矩平衡方程式為：

(9)

式中，Tm、Te、Td分別為機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩與阻尼轉(zhuǎn)矩。Js為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2.2 虛擬同步機(jī)結(jié)構(gòu)

將虛擬同步機(jī)技術(shù)運(yùn)用于儲(chǔ)能功率變換器中，使其能夠模擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特性以及下垂特性，參與到電力系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)壓過(guò)程中。圖3為虛擬同步機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖，其中功率變換器部分由6個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管構(gòu)成傳統(tǒng)兩電平三相逆變器，輸入側(cè)由直流電壓Udc供電，輸出經(jīng)LC濾波器進(jìn)行濾波后接本地負(fù)載，再通過(guò)網(wǎng)側(cè)電感并入大電網(wǎng)。

圖3 虛擬同步機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

圖3中，濾波電容上的電壓為uao、ubo、uco，功率變換器輸出三相電壓為ea、eb、ec，電容電壓的大小等于功率變換器輸出電壓與濾波電感L1上的電壓之和，若將ea、eb、ec視為內(nèi)電勢(shì)，L1視為同步電抗，則可以把功率變換器模擬成一個(gè)同步發(fā)電機(jī)。

虛擬同步機(jī)的控制方式實(shí)際表現(xiàn)為功率控制方式，通過(guò)采樣與功率計(jì)算環(huán)節(jié)獲得虛擬同步機(jī)的輸出有功功率與無(wú)功功率，經(jīng)過(guò)虛擬同步機(jī)控制算法得到三相調(diào)制波的電壓幅值Em與相位角θ，最后通過(guò)三相SPWM控制得到功率變換器開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

根據(jù)瞬時(shí)功率理論，功率測(cè)量環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)在兩相靜止坐標(biāo)系αβ下計(jì)算出虛擬同步機(jī)輸出有功功率Pe和無(wú)功功率Qe，其計(jì)算公式為：

(10)

式中，uα、uβ、iα、iβ分別為電容電壓在αβ軸下的分量與輸出電流在αβ軸下分量。

圖4為虛擬同步機(jī)的控制結(jié)構(gòu)圖，虛擬調(diào)速器與虛擬勵(lì)磁控制器模擬了同步發(fā)電機(jī)的調(diào)速器與勵(lì)磁控制器的算法，實(shí)現(xiàn)功率變換器對(duì)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性的模擬。

圖4 虛擬同步機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖

3 鎖相環(huán)下的預(yù)同步控制策略

虛擬同步機(jī)在并網(wǎng)前必須進(jìn)行預(yù)同步控制，其本質(zhì)在于實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)瞬間，功率變換器輸出電壓頻率、相位以及幅值能夠與電網(wǎng)電壓頻率、相位、幅值一致，從而防止并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生的功率沖擊。

圖5為預(yù)同步控制策略的整體結(jié)構(gòu)圖，三相鎖相環(huán)的目的是獲得虛擬同步機(jī)和電網(wǎng)的電壓幅值與相位。具體的控制過(guò)程分為電壓幅值的閉環(huán)控制與相位的閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)前虛擬同步機(jī)的電壓幅值、相位與電網(wǎng)電壓一致。

圖5 預(yù)同步控制策略框圖

圖5中，up代表電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值，uo代表虛擬同步機(jī)輸出電壓瞬時(shí)值，預(yù)同步過(guò)程主要分為相位預(yù)同步和電壓幅值預(yù)同步兩個(gè)過(guò)程。

相位預(yù)同步過(guò)程：通過(guò)鎖相環(huán)得出功率變換器輸出相位θo與電網(wǎng)電壓相位θp，對(duì)兩者做差得到相位差Δθ，經(jīng)過(guò)PI環(huán)節(jié)，將輸出信號(hào)進(jìn)行限幅疊加至VSG頻率給定信號(hào)上。具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 相位預(yù)同步控制方案

電壓幅值預(yù)同步過(guò)程：通過(guò)鎖相環(huán)同樣能夠獲得虛擬同步機(jī)輸出電壓幅值Uom與電網(wǎng)電壓幅值Upm，對(duì)兩者做差得到電壓幅值差ΔU，經(jīng)過(guò)PI環(huán)節(jié)，將輸出信號(hào)進(jìn)行限幅疊加至VSG電壓幅值給定信號(hào)上。具體結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 電壓幅值相位預(yù)同步控制方案

4 仿真驗(yàn)證

在Matlab/simulin下搭建了虛擬同步機(jī)的仿真模型，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 虛擬同步機(jī)仿真模型

虛擬同步機(jī)主電路部分主要包括直流電源、逆變橋模塊、逆變器側(cè)電感、濾波電容、本地負(fù)載、并網(wǎng)開(kāi)關(guān)、網(wǎng)側(cè)電感、三相交流源以及采樣模塊。其中功率變換器側(cè)電感與濾波電容共同構(gòu)成LC濾波器，三相交流源用來(lái)模擬電網(wǎng)。

控制部分主要包括PQ功率計(jì)算模塊、輸出電壓幅值計(jì)算模塊、功頻控制器、勵(lì)磁控制器、預(yù)同步控制模塊以及Spwm控制模塊。其中功頻控制器模擬了同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械模型與有功下垂控制特性，具體仿真模型如圖9所示。

圖9 功頻控制器仿真模型

功頻控制器中包含了有功功率給定值Pref、虛擬同步機(jī)額定輸出電壓頻率ωref，以及需要對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和下垂系數(shù)Dp進(jìn)行設(shè)置。功頻控制器的輸入量為虛擬同步機(jī)輸出功率Pe以及預(yù)同步控制的輸出頻率差Δωy，輸出量為虛擬同步機(jī)輸出電壓相位值θ。

本文還進(jìn)行了虛擬同步機(jī)的預(yù)同步控制策略仿真。設(shè)置虛擬同步機(jī)功率給定值Pref=12kW，帶本地負(fù)載6kW運(yùn)行，在0.2s時(shí)開(kāi)啟預(yù)同步控制，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10(a)為虛擬同步機(jī)輸出A相電壓uoa與電網(wǎng)A相電壓upa在預(yù)同步開(kāi)啟前后的波形，由于在開(kāi)啟預(yù)同步前，虛擬同步機(jī)的有功功率給定值大于本地負(fù)載有功功率，導(dǎo)致虛擬同步機(jī)輸出電壓頻率將大于額定50Hz頻率，因此虛擬同步機(jī)輸出電壓相位將超前電網(wǎng)電壓相位并不斷增加。0.2s后，虛擬同步機(jī)輸出電壓相位開(kāi)始追蹤電網(wǎng)電壓相位。圖10(b)為虛擬同步機(jī)輸出電壓與電網(wǎng)電壓相位差的正弦值sinΔθ，根據(jù)仿真結(jié)果顯示，在0.25s后，虛擬同步機(jī)輸出電壓具有與電網(wǎng)電壓相同的相位，預(yù)同步控制過(guò)程完成。

(a)VSG輸出A相電壓與電網(wǎng)A相電壓

5 結(jié)論

本文模擬了同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械模型與有功下垂特性，建立了儲(chǔ)能功率變換器虛擬同步機(jī)模型。通過(guò)鎖相環(huán)獲得虛擬同步機(jī)的輸出電壓與電網(wǎng)電壓的幅值、相位，進(jìn)行鎖相環(huán)下的預(yù)同步控制。最后通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)證了此控制策略的可行性。