基于虛擬同步電機(jī)的微電網(wǎng)二次調(diào)頻技術(shù)

逄林 ，陸欣，武占俠，王學(xué)良，付美明，張洪明

（1.深圳市國電科技通信有限公司，廣東 深圳 518000；2.清華大學(xué)電子工程系，北京 100084）

由于新能源的開發(fā)和應(yīng)用是解決能源短缺和環(huán)境污染問題的重要途經(jīng)，風(fēng)能、光伏和潮汐能等得到了廣泛關(guān)注[1-2]。新能源的利用必須首先借助發(fā)電技術(shù)將它們轉(zhuǎn)換為電能，然后在當(dāng)?shù)刂苯邮褂没蜻M(jìn)行并網(wǎng)傳輸，構(gòu)成微電網(wǎng)系統(tǒng)。對于微電網(wǎng)而言，發(fā)電側(cè)為直流電源，需要利用電力電子逆變器將直流電變?yōu)槿嘟涣餍问?，在此過程中，逆變控制算法也是保證發(fā)電質(zhì)量的關(guān)鍵[3-4]。

傳統(tǒng)的微電網(wǎng)逆變控制包括恒功率控制[5]、恒壓頻控制[6]和下垂控制[7]。恒功率控制根據(jù)有功和無功參考值產(chǎn)生恒定的有功和無功功率，屬于完全被動的控制方式，無法為微電網(wǎng)提供任何電壓或頻率支撐；與恒功率控制不同，無論功率如何變化，恒壓頻控制時(shí)刻保證輸出電壓和頻率穩(wěn)定在額定值；對于頻率調(diào)節(jié)過程，下垂控制分為有功—頻率（P—f）和頻率—有功（f—P）兩種，而對電壓調(diào)節(jié)過程，下垂控制可以通過無功—電壓（Q—V）和電壓—無功（V—Q）控制方法實(shí)現(xiàn)。下垂控制通常采用單環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其中，P—f和Q—V下垂控制采用功率反饋型結(jié)構(gòu)，而f—P和V—Q下垂控制與之相反，為頻率和電壓反饋型結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的微電網(wǎng)控制方法具有響應(yīng)快、延時(shí)低的特點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載功率變化后，逆變器輸出會迅速跟蹤負(fù)載變化，導(dǎo)致輸出電壓和頻率發(fā)生波動。這說明基于傳統(tǒng)控制的電力電子逆變器具有慣量低與阻尼小的特性，大負(fù)載突變可能會使電網(wǎng)頻率和電壓偏離許可范圍，給系統(tǒng)帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)[8]。

與傳統(tǒng)逆變算法相比，虛擬同步機(jī)（virtual synchronous generator，VSG）概念的提出解決了微電網(wǎng)慣量低與阻尼小的問題，可以為電網(wǎng)提供強(qiáng)大的頻率支撐[9-11]。VSG工作機(jī)理如下：頻率調(diào)節(jié)采用雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)采用基于頻率反饋的f—P下垂控制器，內(nèi)環(huán)通過模擬真實(shí)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程并利用功率反饋實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程中含有慣量和阻尼兩個(gè)參數(shù)，通過設(shè)置不同值，便可賦予微電網(wǎng)與同步發(fā)電機(jī)類似的慣量與阻尼特性，降低系統(tǒng)動態(tài)性能[12]。然而，需要注意的是，雖然VSG控制能夠降低負(fù)載擾動對頻率特性的影響，提高頻率穩(wěn)定性，但它仍屬于頻率一次調(diào)節(jié)，無法消除穩(wěn)態(tài)誤差。在實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載變化后，頻率響應(yīng)速度與頻率偏移雖然會因VSG技術(shù)的應(yīng)用得到抑制，但卻無法穩(wěn)定在額定值，且負(fù)載功率偏差幅度越大，穩(wěn)態(tài)誤差越大。

在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)頻率控制中，消除一次調(diào)頻穩(wěn)態(tài)誤差的過程被稱為二次調(diào)頻[13]，它需要控制發(fā)電裝置輸出更大的有功功率，從而使負(fù)載引起的頻率偏移保持在額定值附近。參考傳統(tǒng)電力系統(tǒng)二次調(diào)頻機(jī)理，一些文獻(xiàn)已經(jīng)開展了針對基于VSG控制的微電網(wǎng)二次調(diào)頻研究。文獻(xiàn)[14-15]將PI控制器替代了f—P下垂控制器，但存在以下問題：PI控制器在功率穩(wěn)定或波動很小時(shí)仍需要工作，但由于PI控制器具有延時(shí)作用，導(dǎo)致頻率和功率調(diào)節(jié)速度降低；文獻(xiàn)[16]將積分環(huán)節(jié)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程相結(jié)合，構(gòu)建了二階控制器，并且設(shè)計(jì)了只在需要時(shí)才執(zhí)行頻率二次調(diào)節(jié)的過程，更加符合電網(wǎng)工作需求，但是該結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全摒棄了VSG理論的基礎(chǔ)，無法體現(xiàn)VSG控制的優(yōu)勢。

針對上述問題，本文提出一種改進(jìn)的基于VSG的微電網(wǎng)二次調(diào)頻技術(shù)。首先，保留傳統(tǒng)VSG控制結(jié)構(gòu)，將頻率控制誤差經(jīng)過PI控制器后自動產(chǎn)生前饋功率補(bǔ)償；其次，定義頻率偏移界限fthr的概念，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，若頻率偏移超過fthr，則執(zhí)行二次頻率調(diào)節(jié)算法，增加微電網(wǎng)功率輸出，使頻率恢復(fù)至額定值。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該控制策略的可行性與有效性。

1 VSG一次調(diào)頻機(jī)理

圖1為基于VSG控制的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)框圖。圖中，Udc為直流電源；C為母線電容；Ea，Eb，Ec為電網(wǎng)電壓；Lf，Cf分別為濾波電感和電容；PCC為公共連接點(diǎn)；f，fN分別為電網(wǎng)實(shí)際頻率和額定頻率；P，Q分別為有功和無功功率；PN，QN分別為額定有功和無功功率；VN為額定電壓；ω，θ分別為發(fā)電機(jī)機(jī)械角頻率和轉(zhuǎn)子位置。圖1中頻率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的具體實(shí)現(xiàn)過程由圖2所示。可以看出，VSG一次調(diào)頻包含有功功率控制內(nèi)環(huán)和頻率控制外環(huán)兩部分，其中外環(huán)采用f—P下垂控制器，內(nèi)環(huán)采用同步發(fā)電機(jī)機(jī)械方程進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。下面對VSG一次調(diào)頻的各部分進(jìn)行介紹。

圖1 基于VSG控制的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Microgrid structure based on VSG control

圖2 一次調(diào)頻結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure of primary frequency regulation

1.1 f—P下垂控制器

f—P下垂控制器是根據(jù)同步發(fā)電機(jī)頻率和有功功率之間的下垂關(guān)系（如圖3所示）所建立的，其本質(zhì)為比例環(huán)節(jié)，當(dāng)負(fù)載功率由PN變化至P1或P2，系統(tǒng)重新穩(wěn)定后，工作頻率也由fN變化至f1或f2。因此，通過可測量的實(shí)時(shí)頻率值f求得微電網(wǎng)在新狀態(tài)下需要輸出的功率Pt：

圖3 同步發(fā)電機(jī)頻率—有功功率下垂關(guān)系Fig.3 Droop relationship of synchronous generator between frequency and active power

式中：kf為下垂系數(shù)。

1.2 機(jī)械方程

機(jī)械方程是根據(jù)同步電機(jī)物理意義建立的，將下垂控制器的輸出Pt作為發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率，并將電網(wǎng)實(shí)時(shí)有功功率P作為電機(jī)的電磁輸出功率，模擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程為

式中：J為虛擬慣量；D為虛擬阻尼；ωN為電網(wǎng)額定角頻率。

另外，對發(fā)電機(jī)機(jī)械速度積分，可得到用于產(chǎn)生調(diào)制波的轉(zhuǎn)子位置角度θ，即

根據(jù)前述頻率調(diào)節(jié)過程，VSG調(diào)頻機(jī)理如下：當(dāng)負(fù)載功率偏離額定值后，系統(tǒng)頻率隨之變化，此時(shí)，利用下垂控制器以及頻率偏移量可求得所需要輸出的有功功率，令其作為功率參考值，并連同微電網(wǎng)實(shí)時(shí)功率輸入至同步電機(jī)機(jī)械方程，由于機(jī)械方程是一階慣性環(huán)節(jié)，功率響應(yīng)速度會降低，使頻率波動得到抑制。然而，雖然系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度降低，系統(tǒng)所輸出的功率僅能使系統(tǒng)頻率維持在新的平衡狀態(tài)，不能恢復(fù)至額定值，因此需要二次頻率調(diào)節(jié)來減小穩(wěn)態(tài)誤差。

2 改進(jìn)的VSG二次調(diào)頻方案

2.1 電力系統(tǒng)二次調(diào)頻原理

二次調(diào)頻概念來源于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，主要是針對變動幅度較大或者周期較長的負(fù)載擾動。電力系統(tǒng)二次調(diào)頻過程如圖4所示，圖中，PG為發(fā)電機(jī)帶有一次調(diào)頻時(shí)的有功功率靜態(tài)頻率特性，PL為負(fù)荷有功功率靜態(tài)頻率特性。起始階段，電網(wǎng)工作在額定點(diǎn)（N），當(dāng)負(fù)載功率由PL突變至PL′（A點(diǎn)）后，若僅采用一次調(diào)頻，系統(tǒng)最終會穩(wěn)定在N′，此時(shí)功率和頻率記為P′和f′，頻率偏差會比較大；此時(shí)，若系統(tǒng)具有可調(diào)節(jié)頻率，可手動或自動控制發(fā)電機(jī)原動機(jī)的調(diào)頻器，使得發(fā)電機(jī)原動機(jī)輸出的機(jī)械功率增加至B點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)再次穩(wěn)定后，系統(tǒng)工作在N"點(diǎn)，此時(shí)功率和頻率分別為P"和f"，顯然，f"與fN的偏差小于一次調(diào)頻后的頻率偏差。需要說明的是，二次調(diào)頻可增加的機(jī)械功率與系統(tǒng)有關(guān)，若二次調(diào)頻時(shí)發(fā)電機(jī)原動機(jī)輸出的機(jī)械功率相應(yīng)增加量等于負(fù)荷初始變化量，系統(tǒng)頻率將不會發(fā)生偏移，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。

圖4 電力系統(tǒng)二次調(diào)頻過程Fig.4 Secondary frequency regulation for power systems

2.2 基于VSG的二次調(diào)頻方案

根據(jù)電力系統(tǒng)二次調(diào)頻過程，其主要特征可以總結(jié)如下：1）適用于大波動或長周期波動負(fù)載，此時(shí)頻率偏移明顯；2）對于小波動或短周期波動負(fù)載，頻率偏移較小，能夠維持在安全運(yùn)行區(qū)間，二次調(diào)頻可以不用；3）二次調(diào)頻的實(shí)現(xiàn)依靠改變發(fā)電裝置的輸出有功功率。

參考電力系統(tǒng)二次調(diào)頻過程，對于微電網(wǎng)而言，可通過功率補(bǔ)償算法改變逆變器輸出以適應(yīng)負(fù)載變化，本文提出了一種基于VSG的二次調(diào)頻方案，如圖5所示。圖中，s為開關(guān)，fthr為最大許可頻率偏移界限，我國對于大電力系統(tǒng)的頻率偏差規(guī)定不得超過±0.2 Hz，本研究中fthr取0.2，實(shí)際中，為進(jìn)一步保證系統(tǒng)安全性，fthr可取更小值。

圖5 基于VSG的二次調(diào)頻方案Fig.5 Secondary frequency regulation scheme based on VSG

所提出的二次調(diào)頻方案執(zhí)行過程如下：

1）任何情況下，f—P下垂控制器和同步電機(jī)機(jī)械方程都進(jìn)行微電網(wǎng)頻率一次調(diào)節(jié)。

2）檢測額定頻率與實(shí)時(shí)頻率偏差fN-f以及額定有功功率與實(shí)時(shí)功率偏差ΔP（即PN-P），將它們偏差絕對值作為是否啟動二次調(diào)頻的判定條件，其中，判定條件執(zhí)行過程為：當(dāng)頻率偏差小于fthr且前一工作周期內(nèi)未觸發(fā)二次調(diào)頻，開關(guān)s斷開，僅采用一次調(diào)頻程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)控制；當(dāng)頻率偏差大于fthr且|ΔP|≠0，s閉合，啟動二次調(diào)頻操作；當(dāng)觸發(fā)二次調(diào)頻后，若負(fù)載功率沒有恢復(fù)至額定值（即|ΔP|≠0），s閉合，持續(xù)執(zhí)行二次調(diào)頻程序，當(dāng)且僅當(dāng)負(fù)載功率恢復(fù)到額定值時(shí)，斷開開關(guān)s。

3）當(dāng)s閉合后，額定頻率與實(shí)時(shí)頻率偏差經(jīng)過PI控制器自動計(jì)算出所需要補(bǔ)償?shù)墓β剩cPt相加后作為機(jī)械方程的參考功率。

所提出的基于VSG的二次調(diào)頻方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，保留了VSG控制的本質(zhì)結(jié)構(gòu)，即機(jī)械方程沒有修改，理論更加明確；其次，完全參考電力系統(tǒng)二次調(diào)頻的過程，僅在頻率偏移量較大時(shí)執(zhí)行二次調(diào)頻操作，在無負(fù)載波動時(shí)，PI控制器不執(zhí)行，以保證良好的動態(tài)性能。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為全面驗(yàn)證本文所提二次調(diào)頻方法的有效性，對兩個(gè)案例分別進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 仿真驗(yàn)證

用于仿真驗(yàn)證的微電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。此外，PI控制器參數(shù)由試湊法獲得，比例因子kp=3，積分因子ki=100。利用Matlab/Simulink搭建系統(tǒng)模型，為全面驗(yàn)證所提二次調(diào)頻方法的有效性，仿真從以下兩個(gè)方面展開：1）突加負(fù)載。系統(tǒng)帶額定負(fù)載啟動，在0.5 s突加1 kV·A有功功率負(fù)載（小幅度負(fù)載擾動），在1.0 s再突加3 kV·A負(fù)載（大幅度負(fù)載擾動），直至1.5 s結(jié)束；2）突降負(fù)載。系統(tǒng)帶額定負(fù)載啟動，在0.5 s突降1 kV·A負(fù)載，在1.0 s再突降3 kV·A負(fù)載，仿真在1.5 s結(jié)束。最后記錄并分析仿真結(jié)果。

表1 仿真用微電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of microgrid used for simulation

圖6為突加負(fù)載時(shí)的微電網(wǎng)性能曲線圖。系統(tǒng)啟動后，有功功率和頻率維持在額定值；在突加1 kV·A負(fù)載后，功率迅速跟蹤至負(fù)載值，在VSG一次調(diào)頻控制下，頻率在50 ms內(nèi)降低至49.94 Hz，穩(wěn)態(tài)時(shí)頻率偏移量為0.06 Hz，小于許可頻率偏差，系統(tǒng)仍處于安全狀態(tài)；在1 s時(shí)，有功功率迅速上升至14 kV·A，頻率開始下降，但當(dāng)頻率低于49.8 Hz后，在二次調(diào)頻算法的控制下，系統(tǒng)頻率迅速回升，且在400 ms后維持在額定值。需要說明的是，控制過程中，頻率最小值為49.78 Hz，略低于49.8 Hz，這是由于VSG控制及PI控制器調(diào)節(jié)具有延時(shí)作用導(dǎo)致的，但考慮到調(diào)節(jié)時(shí)間很短，能夠保證系統(tǒng)處于較為安全狀態(tài)；此外，可以看出一次調(diào)頻響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二次調(diào)頻速度，說明本文設(shè)計(jì)的開關(guān)s對保證系統(tǒng)的動態(tài)性能具有重要意義。

圖6 突加負(fù)載微電網(wǎng)工作特性Fig.6 Working performance of microgrid with sudden load imposed

圖7為突降負(fù)載時(shí)的微電網(wǎng)性能曲線圖。與圖6一樣，在1 s之前，系統(tǒng)采用一次調(diào)頻算法，頻率響應(yīng)速度比較快，當(dāng)突降1 kV·A負(fù)載時(shí)，僅用40 ms系統(tǒng)頻率上升并穩(wěn)定至50.06 Hz；當(dāng)突降3 kV·A負(fù)載后，頻率迅速上升，當(dāng)頻率偏移量超過0.2 Hz后，二次調(diào)頻算法執(zhí)行，頻率恢復(fù)至50 Hz。仿真結(jié)果表明，所提出的基于VSG的二次調(diào)頻技術(shù)能夠令微電網(wǎng)頻率偏移量在許可范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)安全。

圖7 突降負(fù)載微電網(wǎng)工作特性Fig.7 Working performance of microgrid with sudden load reduced

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提出的基于VSG的二次調(diào)頻算法，搭建了一套低壓測試平臺，系統(tǒng)參數(shù)如表2所示，PI控制器比例因子kp=0.5，積分因子ki=30。逆變控制算法在DSP TMS320F2812內(nèi)執(zhí)行，測試也包含突加負(fù)載和突降負(fù)載兩種模式，測試過程如下：當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定地工作在額定狀態(tài)后，在0.5 s突加/降負(fù)載60 V·A，在1.0 s時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)，記錄并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2 實(shí)驗(yàn)用微電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Parameters of microgrid used for experiment

圖8和圖9分別為突加負(fù)載和突降負(fù)載時(shí)微電網(wǎng)的有功功率和頻率特性曲線。

圖8 突加負(fù)載微電網(wǎng)工作特性Fig.8 Working performance of microgrid with sudden load imposed

圖9 突降負(fù)載微電網(wǎng)工作特性Fig.9 Working performance of microgrid with sudden load reduced

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：首先，與仿真結(jié)果相比，圖8和圖9中頻率波動略大，這是由于系統(tǒng)工作頻率不同導(dǎo)致的。其次，當(dāng)系統(tǒng)突加相同負(fù)載時(shí)，頻率特性與突降負(fù)載時(shí)的頻率特性并不完全一致，具體體現(xiàn)在：

1）圖8中頻率下降速度很快，但是當(dāng)二次調(diào)頻算法執(zhí)行時(shí)，頻率恢復(fù)速度比較慢，相比之下，在負(fù)載突降后，圖9中頻率上升速度比較慢，但是恢復(fù)速度比較快；

2）當(dāng)系統(tǒng)重新恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)后，圖8中頻率穩(wěn)態(tài)性能要高于圖9中結(jié)果，這是由于負(fù)載不同導(dǎo)致的。

整體而言，在負(fù)載突變后，所提出的基于VSG的二次調(diào)頻方案依然可以令微電網(wǎng)頻率工作在額定狀態(tài)，保證系統(tǒng)工作在安全區(qū)間。

4 結(jié)論

本文的主要研究內(nèi)容及貢獻(xiàn)總結(jié)如下：

1）針對傳統(tǒng)VSG控制在功率波動后具有穩(wěn)態(tài)誤差的問題，本文提出了一種改進(jìn)型微電網(wǎng)二次調(diào)頻技術(shù)。當(dāng)面臨大幅度負(fù)載波動時(shí)，通過PI控制器實(shí)現(xiàn)前饋功率補(bǔ)償，所提出的二次調(diào)頻技術(shù)沒有改變VSG控制理論基礎(chǔ)。

2）為滿足電力系統(tǒng)二次調(diào)頻規(guī)范，即僅在負(fù)載波動比較大時(shí)進(jìn)行二次調(diào)頻操作，定義頻率偏移界限的概念，用來判斷是否需要執(zhí)行二次調(diào)頻算法：當(dāng)頻率偏差較小時(shí)，只采用一次調(diào)頻技術(shù)以保證系統(tǒng)響應(yīng)速度；當(dāng)頻率偏差超過界限后，利用二次調(diào)頻技術(shù)消除穩(wěn)態(tài)誤差。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。