獨立微網(wǎng)變換器的自適應(yīng)參數(shù)虛擬同步機控制策略研究

鐘建偉，陳若奇，黃 明，張繼學(xué)，鄢 蓓，張哲愷

（1.湖北民族大學(xué)，湖北 恩施 445000；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司恩施供電公司，湖北 恩施 445000）

0 引 言

隨著全球能源使用問題和世界環(huán)境生態(tài)問題的出現(xiàn)，分布式新能源如光伏發(fā)電和風(fēng)電等憑借著它們的清潔性和可再生性，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用比例逐步增大。但新能源發(fā)電有出力不穩(wěn)定的缺點，為了解決這個問題，各國學(xué)者提出了微電網(wǎng)的概念，微電網(wǎng)就是將分布式新能源發(fā)電、負(fù)荷、儲能系統(tǒng)、變流器組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。由于光伏發(fā)電的發(fā)展和直流負(fù)荷的增加，直流微電網(wǎng)與交流微電網(wǎng)形成的交直流混合微電網(wǎng)的應(yīng)用日益增多，這給現(xiàn)存的交流供電系統(tǒng)帶來了供電支撐，同時提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

在交直流母線之間起連接作用的電力電子變流器，由于其自身的器件特性，并不像同步發(fā)電機一樣具有慣性調(diào)頻能力和阻尼特性來平抑功率震蕩，在負(fù)荷突變或故障發(fā)生時調(diào)節(jié)能力比較弱，頻率波動較大，對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定影響較大。為了使變流器擁有慣性與阻尼，文獻[6]提出了虛擬同步機技術(shù)來控制交直流電網(wǎng)之間的變流器，它的關(guān)鍵思想就是模擬傳統(tǒng)的同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動方程使變流器擁有慣性，從而使得頻率變化有一定的過渡時間，減小其變化的超調(diào)量。文獻[7-8]通過小信號模型建模，運用根軌跡法對虛擬同步機控制方法中的關(guān)鍵參數(shù)對于系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進行了分析，對本文的參數(shù)選取提供了指導(dǎo)。文獻[9-10]提出了轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)的自適應(yīng)控制，來優(yōu)化頻率的變化曲線，但是控制策略作用目標(biāo)是逆變器，將它等效為電流源，不適合獨立混合微電網(wǎng)。文獻[11-12]提出的控制策略控制目標(biāo)為交直流母線接口變流器，但是需要設(shè)計額外的系統(tǒng)穩(wěn)定裝置，設(shè)計復(fù)雜，文獻[8]對其進行了改進，但是控制參數(shù)是固定的，當(dāng)負(fù)荷變化時會有頻率恢復(fù)暫態(tài)時間過長的問題。

針對上述問題，本文結(jié)合文獻[8]與文獻[10]提出了一種適用于交直流母線接口變流器的自適應(yīng)參數(shù)虛擬同步機控制技術(shù)，使得變流器擁有慣性與阻尼，并且對于頻率暫態(tài)恢復(fù)時間過長進行了改進，最后通過Matlab/Simulink 仿真分析了轉(zhuǎn)動慣量與阻尼系數(shù)大小對于系統(tǒng)性能的影響，并驗證了所提控制策略的有效性。

1 虛擬同步機基本原理

圖1 為本文采用的交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，直流側(cè)由儲能設(shè)備、光伏發(fā)電、直流變換器和直流負(fù)載組成，交流側(cè)由儲能設(shè)備、交流負(fù)載和交直流變換器組成，交直流母線之間就是本文的控制策略的控制對象換流器。

圖1 交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

圖2 為虛擬同步機的主電路拓?fù)洌扇嚯妷涸醋儞Q器分別通過直流電容、直流阻抗和LC 濾波器、線路阻抗連接至直流母線和交流母線。

根據(jù)圖2 可以得出交流側(cè)的電壓方程和功率方程為：

圖2 虛擬同步機的主電路拓?fù)?/p>

可以看出式（1）~式（3）與同步發(fā)電機的電壓、輸出功率方程相似，由此可見該變換器可以實現(xiàn)類似同步發(fā)電機一樣的功率雙向傳輸。本文的控制思路是采集經(jīng)過濾波電路前的電流、經(jīng)過濾波電路后的電流和電壓、直流母線電壓作為虛擬同步機控制的輸入，經(jīng)過計算后得到變流器所需要的脈沖信號。

1.1 功率控制

虛擬同步機的功率控制包括有功控制和無功控制兩部分，具體控制框圖如圖3 所示。

圖3 虛擬同步機有功-無功控制框圖

1.1.1 有功控制

在虛擬同步機控制方法策略中，模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動方程使其自身擁有慣性響應(yīng)與阻尼，從而抑制系統(tǒng)頻率劇烈波動，使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。虛擬同步機的轉(zhuǎn)子運動方程如下：

式中：為轉(zhuǎn)動慣量；ω為額定角頻率；為虛擬轉(zhuǎn)子角頻率；為機械功率；為電磁功率；為阻尼系數(shù)。

交流微電網(wǎng)的有功功率變化量為：

直流微電網(wǎng)的有功功率變化量為：

式中：，為有功功率參考值與測量值；，為直流電壓的額定值和測量值；k為直流電壓下垂控制系數(shù)；為直流電容大小。

交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)連接在一起，有功功率變化量應(yīng)該是相同的，即：

結(jié)合式（9）和式（5）可得：

式（10）即為圖3 中的有功控制部分。

1.1.2 無功控制

虛擬同步機的無功控制部分采用電壓下垂控制，模型如下：

式中：為后續(xù)內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)的電壓參考值；為變流器的端口電壓參考值；為無功功率參考值；為無功功率采集值；k為無功電壓下垂控制系數(shù)。

1.2 虛擬阻抗

為了更好地模擬同步發(fā)電機準(zhǔn)靜態(tài)特性，增加虛擬阻抗環(huán)節(jié)，具體如下：

式中：u，u為下級電壓參考值的分量；R，L分別為虛擬電阻和虛擬電感；i，i為輸出電流分量。對應(yīng)框圖如圖4 所示。

圖4 虛擬阻抗框圖

1.3 電壓電流控制

該處控制即為主流控制方法——電壓電流雙閉環(huán)控制，其主要原理就是利用上文所得u和u，經(jīng)過PI控制后獲得PWM 調(diào)制信號，此處不詳細(xì)說明，關(guān)鍵在于電壓與電流環(huán)的PI 控制系數(shù)k，k和k，k。

1.4 自適應(yīng)控制

表1 不同情況下轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)的選取原則

根據(jù)表1 設(shè)計如下轉(zhuǎn)動慣量自適應(yīng)控制策略：

式中：為初始轉(zhuǎn)動慣量；為初始阻尼系數(shù)；k為轉(zhuǎn)動慣量控制系數(shù)；k為阻尼系數(shù)控制系數(shù)。

2 仿真分析

基于Matlab/Simulink 仿真軟件搭建了如圖1 所示的虛擬同步機控制的混合微電網(wǎng)系統(tǒng)，驗證本文所提控制策略的有效性。上文控制策略中的仿真參數(shù)見表2。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

2.1 整流模式

在=1 s 時，直流側(cè)負(fù)荷增加1 000 W；=2 s 時，直流側(cè)負(fù)荷減少1 000 W，換流器工作在整流模式，交直流電網(wǎng)各自承擔(dān)500 W有功功率，換流器中流過了-500 W的有功功率。交流頻率、直流電壓和傳輸功率的仿真圖如圖5~圖7 所示，在1~2 s 期間直流母線穩(wěn)態(tài)值為399 V，頻率穩(wěn)態(tài)值為49.9 Hz。

圖5 整流模式不同控制策略頻率對比

圖6 整流模式不同控制策略直流母線電壓對比

圖7 整流模式不同控制策略有功功率對比

由圖5~圖7 可以看出，轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)的自適應(yīng)控制策略與定參數(shù)控制策略相比，對于頻率的優(yōu)化效果更好，在1~2 s期間，頻率下降更為緩慢，而在2 s時刻頻率上升時，定參數(shù)控制模型達到新穩(wěn)態(tài)的用時是0.6 s，自適應(yīng)控制策略達到新穩(wěn)態(tài)用時為0.3 s，頻率的恢復(fù)速率得到顯著提高。

2.2 逆變模式

在=1 s 時，交流側(cè)負(fù)荷增加1 000 W；=2 s 時，交流側(cè)負(fù)荷減少1 000 W，換流器工作在逆變模式，交直流電網(wǎng)各自承擔(dān)500 W有功功率，換流器中流過了500 W的有功功率。交流頻率、直流電壓和傳輸功率的仿真圖如圖8~圖10 所示，在1~2 s 期間直流母線穩(wěn)態(tài)值為399 V，頻率穩(wěn)態(tài)值為49.9 Hz。

圖8 逆變模式不同控制策略頻率對比

圖9 逆變模式不同控制策略直流母線電壓對比

圖10 逆變模式不同控制策略有功功率對比

由圖8~圖10 可以看出，轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)的自適應(yīng)控制策略與定參數(shù)控制策略相比，對于頻率的優(yōu)化效果更好，在1~2 s 期間，頻率下降更為緩慢，而在2 s 時刻頻率上升時，定參數(shù)控制模型達到新穩(wěn)態(tài)的用時是0.5 s，自適應(yīng)控制策略達到新穩(wěn)態(tài)用時為0.4 s，頻率的恢復(fù)速率得到顯著提高。

綜上可以看出，交直流換流器不管是工作在整流模式還是逆變模式，虛擬同步機定參數(shù)和自適應(yīng)控制策略都能夠使系統(tǒng)擁有慣性。定參數(shù)控制策略達到了降低頻率下降速度的目的，但是頻率恢復(fù)速度也一樣減慢了，自適應(yīng)參數(shù)控制策略則有效地解決了這個問題，在頻率下降時使得下降速度減慢了，在頻率恢復(fù)時恢復(fù)速度得到了有效的提升。

3 結(jié) 語

本文在基本的交直流混合微電網(wǎng)換流器虛擬同步機控制策略的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)自適應(yīng)控制得到一種新的控制策略，有效地解決了在定參數(shù)虛擬同步機控制策略下為了使頻率下降緩慢會導(dǎo)致頻率恢復(fù)時間變長的問題。通過Matlab/Simulink 的仿真驗證可知：本文的自適應(yīng)參數(shù)虛擬同步機控制策略進一步減緩了頻率的下降速度，同時加快了頻率的恢復(fù)速度，進一步提升了混合微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。