基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的儲能逆變器控制策略及無縫切換技術(shù)

王浩，郝正航，陳卓，陳湘萍，滕飛，孔德政

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴陽 550025)

隨著能源危機(jī)問題的和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，分布式能源得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。采用虛擬同步發(fā)電機(jī)(virtual synchronous generator，VSG)控制，使電網(wǎng)具有同步機(jī)的慣性和阻尼特性，提高逆變器的抗干擾特性[1-4]。微電網(wǎng)在孤島和并網(wǎng)兩種模式下的穩(wěn)定運(yùn)行以及平滑切換能力是微網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢，以及提高并網(wǎng)電能質(zhì)量的關(guān)鍵[5-7]。在微網(wǎng)進(jìn)行模式切換過程中，易引起公共連接點(diǎn)的沖擊電流和電壓畸變，對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，需采取相應(yīng)運(yùn)行控制策略，以保證切換過程的平穩(wěn)性[8-10]。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對微網(wǎng)無縫切換技術(shù)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[11-12]提出了儲能逆變器在微網(wǎng)不同模式切換下功率調(diào)節(jié)、電壓支撐的重要性，研究了儲能逆變器在不同運(yùn)行模式間的切換方法。文獻(xiàn)[13]利用電壓幅值和相位進(jìn)行預(yù)同步控制，改進(jìn)VSG控制在低電壓穿越控制的不足。文獻(xiàn)[14]為實(shí)現(xiàn)在VSG控制和有功和無功功率(PQ)控制之間切換，對有功功率和無功功率的控制方法進(jìn)行了改進(jìn)。文獻(xiàn)[15-16]對微網(wǎng)系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行了分析，針對微網(wǎng)孤島與并網(wǎng)運(yùn)行模式的特點(diǎn)，提出一種基于控制器狀態(tài)跟隨的并行切換方法，對VSG控制與PQ控制的相位和電流狀態(tài)實(shí)時跟蹤。當(dāng)微電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)與孤島模式切換過程中，文獻(xiàn)[17]在增加PI控制環(huán)節(jié)后，得到電壓參考值使得模式切換過程平滑過渡。文獻(xiàn)[18]以虛擬同步機(jī)(virtual synchronous machine，VISMA)模型為研究對象，提出一種VSG控制與PQ控制無縫平滑切換技術(shù)，并通過小信號模型分析參數(shù)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[19]通過一種模型預(yù)測方案進(jìn)行無縫切換控制，該策略在計及成本函數(shù)下具有實(shí)現(xiàn)簡單的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[20]針對儲能逆變器設(shè)計分層控制結(jié)構(gòu)，減少模式切換時對電網(wǎng)電壓和頻率的影響，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

針對微網(wǎng)控制策略無縫切換的研究，在分析儲能逆變器基本結(jié)構(gòu)和控制方法的基礎(chǔ)上，現(xiàn)提出基于頻率擾動的微網(wǎng)預(yù)同步控制方法，優(yōu)化微網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行模式切換時對系統(tǒng)的電壓、電流沖擊。通過調(diào)節(jié)兩種控制策略的外環(huán)參考電流的平滑過渡，改善控制系統(tǒng)切換時刻和公共連接點(diǎn)開關(guān)動作時刻不協(xié)調(diào)性。最后利用MATLAB/Simulink仿真平臺進(jìn)行仿真分析，以驗證其在優(yōu)化電壓畸變、減少沖擊電流和穩(wěn)定功率波動方面的可行性。

1 儲能逆變器結(jié)構(gòu)

圖1所示為儲能逆變器主要控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中當(dāng)公共耦合點(diǎn)處開關(guān)(circuit breaker，CB)處于閉合狀態(tài)時，變流器運(yùn)行于并網(wǎng)狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)CB處于斷開狀態(tài)時，變流器運(yùn)行于孤島模式。通常儲能逆變器在孤島模式時充當(dāng)電壓源，為微網(wǎng)穩(wěn)定電壓和支撐頻率，采取VSG控制；儲能逆變器在并網(wǎng)恒功率運(yùn)行時，采取PQ控制。

Udc為直流側(cè)的輸入電壓；S1～S6為全控型開關(guān)器件；R、L、C分別為濾波電路的電阻、電感及電容；L1為線路電感；Uabc、Iabc為逆變器輸出電壓和電流；P、Q為逆變器輸出有功功率和無功功率測量值；Pref、Qref為有功功率和無功功率的參考值；uod、ioq、iod、ioq分別為逆變器輸出電壓、電流在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下分量；E0為VSG空載電勢；eabc為VSG電勢

1.1 VSG控制策略

同步發(fā)電機(jī)一般有二階模型、三階模型、五階模型等。為避免同步發(fā)電機(jī)的復(fù)雜電磁耦合，簡化對有功功率和無功功率的解耦控制，采取二階控制模型，極對數(shù)為1的隱極式同步發(fā)電機(jī)作為VSG算法研究。

虛擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械方程可表示為

(1)

式(1)中：J為轉(zhuǎn)動慣量；D為阻尼系數(shù)；ω為實(shí)際電氣角速度；ω0為額定電氣角速度；Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Td為阻尼轉(zhuǎn)矩；δ為功角。其中在極對數(shù)為1的情況下機(jī)械角速度值與電氣角速度相同，電磁轉(zhuǎn)矩Te可由VSG電勢eabc和輸出電流iabc計算得到，即

(2)

式(2)中：P為VSG輸出的電磁功率；Q為VSG的輸出無功功率；Uod和Uoq分別為eabc在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的dq軸分量；Iod和Ioq分別為iabc在dq軸分量，通過陷波器可得到VSG的平均功率Pe和Qe。

在VSG控制中，為了使逆變器運(yùn)行具有更好的穩(wěn)定性，引入虛擬慣量J和阻尼系數(shù)D。其中虛擬慣量J可以使系統(tǒng)在功率和頻率變化時具有一定慣性；阻尼系數(shù)D可以使系統(tǒng)的功率具有阻尼震蕩能力。

1.2 PQ控制策略

微網(wǎng)在接入電網(wǎng)運(yùn)行后的電壓和頻率與電網(wǎng)相同，儲能逆變器采用VSG控制能根據(jù)所接入電網(wǎng)的電壓和頻率作為參考值，調(diào)節(jié)微網(wǎng)的有功功率和無功功率的輸出，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，保證電網(wǎng)電能質(zhì)量。當(dāng)電網(wǎng)和儲能變流器之間頻率、電壓的額定值出現(xiàn)差值時，可以通過吸收或發(fā)出對應(yīng)有功功率、無功功率維持系統(tǒng)穩(wěn)定。當(dāng)差值較大，儲能逆變器不能滿足需求時，會導(dǎo)致儲能變流器過載。并網(wǎng)運(yùn)行時，依靠VSG的頻率和電壓調(diào)節(jié)有功功率和無功功率不能適應(yīng)并網(wǎng)運(yùn)行。在PQ控制模式下，采用功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，可將電網(wǎng)的給定功率值作為參考調(diào)節(jié)微網(wǎng)輸出恒定有功功率和無功功率，使微網(wǎng)處于并網(wǎng)狀態(tài)下具有較好調(diào)節(jié)特性。對儲能變流器通過PQ控制和VSG控制兩種模式的切換，并網(wǎng)運(yùn)行時采用PQ控制，孤島運(yùn)行時采用VSG控制。

2 無縫切換技術(shù)和預(yù)同步控制

2.1 并網(wǎng)/孤島模式無縫切換

微電網(wǎng)具有孤島和并網(wǎng)兩種運(yùn)行模式。為使微網(wǎng)能工作在不同工況下，需要研究并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)、孤島兩種運(yùn)行模式和兩種模式之間的無縫切換。

2.1.1 并網(wǎng)模式到孤島模式切換

基于虛擬同步機(jī)控制的儲能逆變器利用與同步發(fā)電機(jī)相似外特性可等效成一個孤立電壓源。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或需要進(jìn)行檢修時，微網(wǎng)與電網(wǎng)之間需要斷開連接，儲能逆變器輸出電壓U和相位φ仍然保持?jǐn)嚅_連接時的狀態(tài)運(yùn)行。利用在孤島模式下微網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載功率和并網(wǎng)時的指令功率之間功率偏差，通過電壓和頻率的調(diào)節(jié)功率的特性，不斷修正后最終電勢E和功角δ能穩(wěn)定到一個新的功角平衡點(diǎn)。微網(wǎng)內(nèi)發(fā)出功率與負(fù)載功率達(dá)到一個動態(tài)平衡，從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)模式到孤島模式的穩(wěn)定無縫切換。

2.1.2 孤島模式到并網(wǎng)模式切換

虛擬同步發(fā)電機(jī)在孤島模式下，輸出電壓的相位和幅值經(jīng)由電壓、頻率的調(diào)節(jié)后，會與電網(wǎng)電壓的幅值和相位產(chǎn)生一定瞬時差值。若在瞬時差值較大時，微網(wǎng)由孤島運(yùn)行模式直接投入電網(wǎng)使用，會引起較大的沖擊電流，導(dǎo)致并網(wǎng)失敗，產(chǎn)生安全隱患。

儲能逆變器輸出單相相電壓與電網(wǎng)電壓之間的瞬時差值Δu表達(dá)式為

Δu=u0-ug=U0sin(ωt+θ)-Ugsin(ω0t+θg)

(3)

式(3)中：u0為孤島模式下儲能逆變器輸出單相相電壓；ug為電網(wǎng)電壓；U0和Ug為幅值；θ和θg為相位。

通常孤島模式下虛擬同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓與電網(wǎng)電壓之間幅值近似，可看作有U0≈Ug=U，那么式(3)可以化簡為

(4)

由式(4)可知，由于孤島運(yùn)行模式下微網(wǎng)電壓與電網(wǎng)電壓之間的角頻率和相角有偏差，在公共耦合點(diǎn)兩側(cè)電壓可能出現(xiàn)峰值為2U的瞬時差值。在電壓差值較大的工況直接投入并網(wǎng)，會產(chǎn)生較大沖擊電流，從而切換失敗或者引起電壓發(fā)生畸變，影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

微網(wǎng)在并入電網(wǎng)會經(jīng)變壓器升壓，電壓幅值通常與電網(wǎng)相符，但在頻率固定情況下，相位無法調(diào)節(jié)，微網(wǎng)和電網(wǎng)之間電壓相位會存在固定相位差，電壓瞬時差值會有周期性變化，從而在微網(wǎng)的頻率和相角上無法與電網(wǎng)保持同步，出現(xiàn)沖擊電流，采用預(yù)同步控制能穩(wěn)定進(jìn)行無縫切換。并網(wǎng)運(yùn)行時采用PQ控制，孤島運(yùn)行時采用VSG控制。

2.1.3 PQ/VSG控制模式無縫切換

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或有檢修計劃時，公共耦合點(diǎn)(point of common coupling，PCC)開關(guān)斷開，逆變器控制策略應(yīng)及時從PQ控制切換到VSG控制策略，以保證PCC開關(guān)動作時刻的同步性。為維持微網(wǎng)在離網(wǎng)后的電壓穩(wěn)定，離網(wǎng)運(yùn)行后的電壓環(huán)初始輸出應(yīng)保持與并網(wǎng)運(yùn)行時電流給定值同步，給定角與鎖相環(huán)輸出角度相同。孤島切換至并網(wǎng)模式后，微網(wǎng)從VSG控制切換到PQ恒功率控制，在PCC開關(guān)閉合前，通過調(diào)節(jié)變流器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的幅值差在允許范圍內(nèi)，避免切換瞬間發(fā)生沖擊電流引起并網(wǎng)失敗。逆變器的控制策略切換時刻和PCC開關(guān)動作時刻不協(xié)調(diào)，可能會導(dǎo)致負(fù)載電壓波動并引起沖擊電流。針對此問題，利用VSG控制和PQ控制的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計一種數(shù)值緩沖器，利用PQ控制電流環(huán)和VSG控制的電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)相同，PQ控制和VSG同時運(yùn)行，在切換過程中電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)不變，保持微網(wǎng)和電網(wǎng)之間的相位和兩種控制的電流內(nèi)環(huán)id、iq指令平滑過渡，使得控制策略能夠順利切換。儲能逆變器在收到并網(wǎng)切換指令后，為保證電壓不發(fā)生較大波動，經(jīng)過預(yù)同步調(diào)節(jié)控制，對電網(wǎng)電壓進(jìn)行實(shí)時跟蹤對比，對逆變器輸出電壓幅值Ug和相位θg進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于iPQ和iVSG之間可能存在差值，為防止PQ至VSG切換時出現(xiàn)電流指令跳變，在收到模式切換信號后，將iVSG和iPQ作為數(shù)值緩啟動器的初值和終值，經(jīng)過數(shù)值緩啟動器的調(diào)節(jié)，使iVSG逐漸過渡到iPQ，保證從VSG控制平滑切換到PQ控制，表達(dá)式為

(5)

式(5)中：T為從初值到終值的緩啟動時間；Δi為步長。

儲流逆變器由PQ控制切換為VSG控制時，由于iPQ實(shí)時跟蹤iVSG，即iPQ=iVSG。VSG并網(wǎng)運(yùn)行時其輸出電壓相角θ跟隨電網(wǎng)相角θg，即有θ≈θg，保證了儲能變流器由VSG控制平滑切換至PQ控制過程中平滑切換。

2.2 并網(wǎng)預(yù)同步控制

圖2為并網(wǎng)預(yù)同步過程電壓矢量圖。為使電網(wǎng)與微網(wǎng)間電壓的相位達(dá)到同步，調(diào)節(jié)U的角速度ω，使Ug和U重合，微網(wǎng)能順利從孤島模式切換到并網(wǎng)運(yùn)行。

Ug、U分別為電網(wǎng)電壓和微電網(wǎng)電壓，其角速度為ω0、ω；θ、θg分別為微網(wǎng)與電網(wǎng)電壓相位，Δθ為其差值

如圖3所示，通過鎖相環(huán)得到電網(wǎng)和微網(wǎng)電壓的相位與角頻率。設(shè)置相位差閾值，微網(wǎng)相位θ與電網(wǎng)相位θg相減得到Δθ，當(dāng)Δθ小于設(shè)定相位差閾值，在允許并網(wǎng)范圍內(nèi)，微網(wǎng)執(zhí)行并網(wǎng)操作；當(dāng)Δθ不在允許并網(wǎng)范圍，則通過調(diào)節(jié)微網(wǎng)電壓的角頻率使得Δθ不斷減少直至到達(dá)相位差閾值內(nèi)，即可執(zhí)行并網(wǎng)操作。

圖3 預(yù)同步控制頻率調(diào)節(jié)流程圖

3 仿真驗證分析

為驗證提出的相關(guān)控制策略的可行性，根據(jù)圖1所示模型，在MATLAB/Simulink 仿真平臺下進(jìn)行仿真，仿真時長為1 s。主要選取參數(shù)如表1所示。

表1 VSG實(shí)驗參數(shù)設(shè)置

初始時刻微網(wǎng)處于離網(wǎng)運(yùn)行，所帶本地負(fù)載有功功率和無功功率分別為10 kW和10 kvar。在接到并網(wǎng)指令后在0.5 s 時刻開始進(jìn)行預(yù)同步控制。孤島到并網(wǎng)模式在進(jìn)行無縫切換過程中的電壓波形如圖4所示。

圖4 預(yù)同步控制并網(wǎng)電壓波形

VSG輸出電壓經(jīng)過預(yù)同步環(huán)節(jié)進(jìn)行頻率有差調(diào)節(jié)后，使其輸出電壓幅值與相位與電網(wǎng)電壓對比，在兩者瞬時差值低于設(shè)定閾值，滿足電網(wǎng)安全運(yùn)行條件后閉合并網(wǎng)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)孤島模式到并網(wǎng)模式的切換。

通過設(shè)置傳統(tǒng)切換模式作為對照組，對比微網(wǎng)輸出電壓、電流和有功功率。圖5和圖6分別為微網(wǎng)輸出電壓和電流波形，對比傳統(tǒng)切換模式和無縫切換模式可知，在傳統(tǒng)切換模式下，系統(tǒng)在 0.5 s 時發(fā)出切換指令后，電流出現(xiàn)了較大的沖擊電流，輸出電壓也發(fā)生了較大波動，對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在預(yù)同步控制切換模式下，經(jīng)過預(yù)同步調(diào)節(jié)至 0.55 s 后，開始切換控制模式，經(jīng)過預(yù)同步控制調(diào)整后的輸出電壓不發(fā)生波動，輸出電流能實(shí)現(xiàn)平滑切換，對電網(wǎng)產(chǎn)生較小沖擊。

圖5 微網(wǎng)輸出電壓波形

圖6 微網(wǎng)輸出電流波形

圖7所示為逆變器輸出有功功率波形，在0.5 s前微網(wǎng)帶5 kW有功負(fù)荷并處于孤島運(yùn)行模式，系統(tǒng)在0.5 s 時發(fā)出并網(wǎng)切換指令，在完成預(yù)同步控制調(diào)節(jié)后，逆變器開始與電網(wǎng)進(jìn)行同步，微網(wǎng)從VSG控制切換到PQ恒功率控制，在0.7 s后微網(wǎng)有功功率穩(wěn)定輸出10 kW，其中向電網(wǎng)輸出有功功率為5 kW。相較于傳統(tǒng)切換模式，逆變器在接收到并網(wǎng)指令并經(jīng)過預(yù)同步環(huán)節(jié)調(diào)整后，在0.55 s 后開始逐漸增加輸出功率，能夠讓逆變器輸出有功功率平滑過渡到10 kW。

圖7 輸出有功功率波形

圖8所示為并網(wǎng)模式到孤島模式切換微網(wǎng)輸出電壓和電流波形，在1 s時刻進(jìn)行模式切換。因為VSG具有電壓源性質(zhì)，在離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下可以提供電壓支撐，整個切換過程不需要額外控制，即可實(shí)現(xiàn)電壓電流平滑過渡。

圖8 并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)孤島模式輸出波形

4 結(jié)論

針對微網(wǎng)運(yùn)行模式展開研究，提出一種適應(yīng)孤島和并網(wǎng)運(yùn)行模式間無縫切換的控制策略，解決運(yùn)行模式切換時引起的電壓震蕩和電流沖擊問題，得到以下結(jié)論。

(1)針對微網(wǎng)在并網(wǎng)后頻率和相角難以保持同步問題，采用基于頻率擾動調(diào)節(jié)電壓的預(yù)同步方案，通過仿真運(yùn)行驗證了方案可行性。

(2)針對PQ控制和VSG控制平滑切換問題，利用VSG技術(shù)特點(diǎn)，使PQ控制的單電流環(huán)與VSG控制的電壓電流雙環(huán)同時運(yùn)行。通過數(shù)值緩啟動器的調(diào)節(jié)外環(huán)參考電流平滑過渡，從而減少模式切換對電網(wǎng)造成的沖擊。

(3)建立了MATLAB/Simulink仿真模型，仿真結(jié)果驗證了無縫切換控制策略在調(diào)節(jié)功率、穩(wěn)定電壓和平滑過渡電流得可行性。