基于頻率穩(wěn)定性提升的虛擬慣性優(yōu)化控制策略

徐海珍，余暢舟，毛福斌，吳澤霖，胡濤濤，王慶龍

基于頻率穩(wěn)定性提升的虛擬慣性優(yōu)化控制策略

徐海珍1，余暢舟1，毛福斌2，吳澤霖1，胡濤濤1，王慶龍1

(1.合肥學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230022)

基于傳統(tǒng)一階虛擬慣性的新能源逆變器并聯(lián)弱電網(wǎng)時，其有功穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性調(diào)節(jié)存在矛盾。首先，總結(jié)了基于各種改進(jìn)結(jié)構(gòu)虛擬慣性算法的新能源逆變器并、離網(wǎng)時的特性及存在問題。然后，針對此問題，以頻率穩(wěn)定性提升為目標(biāo)，通過調(diào)整二階虛擬慣性算法中一階微分補(bǔ)償環(huán)節(jié)和一階慣性環(huán)節(jié)在功率外環(huán)前向通道的位置，提出了二階虛擬慣性優(yōu)化控制策略。最后搭建了一臺100 kW新能源逆變器并網(wǎng)仿真平臺，對理論分析結(jié)果進(jìn)行仿真驗證。理論分析與仿真結(jié)果表明，該算法在保證逆變器有功穩(wěn)態(tài)特性和功率振蕩抑制能力的同時，有效減小了動態(tài)響應(yīng)初始階段的頻率變化率，提高了系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

虛擬慣性；有功振蕩；頻率穩(wěn)定性；虛擬同步發(fā)電機(jī)

0 引言

“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)下，光伏、風(fēng)電等新能源迎來新的機(jī)遇，能源供應(yīng)體系正由以煤炭為主向多元化轉(zhuǎn)變[1-4]，新能源逐步成為新增電源裝機(jī)主體。新能源發(fā)電在世界各國發(fā)電量中占比逐漸增高，有著廣闊的發(fā)展前景[5-7]。然而，光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電逆變器的控制與電網(wǎng)的電壓和頻率無耦合，等效轉(zhuǎn)動慣量很小，無法為系統(tǒng)提供頻率和電壓支撐。當(dāng)大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)時，送端的常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組被大量取代，電網(wǎng)慣量降低，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨重大挑戰(zhàn)[8-11]。新能源逆變器通過采用虛擬慣性算法模擬真實發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性，可為電網(wǎng)提供局部電壓和頻率支撐，提高了系統(tǒng)的等效慣性[12-15]。

基于傳統(tǒng)一階虛擬慣性的新能源逆變器為了提高頻率支撐能力，需增大虛擬慣量，但虛擬慣量的提高使得系統(tǒng)阻尼減小。當(dāng)逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生有功指令階躍或負(fù)載擾動時，其輸出有功在動態(tài)過程中產(chǎn)生低頻振蕩或較大超調(diào)，易導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。文文獻(xiàn)[16-19]提出了基于系統(tǒng)頻率波動的虛擬慣量和阻尼系數(shù)自適應(yīng)控制算法。該算法可有效抑制逆變器輸出有功超調(diào)和振蕩，但對頻率檢測的要求較高，在頻率波動較大的電網(wǎng)系統(tǒng)中易受干擾，且文中未分析該算法對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響。

文獻(xiàn)[20-21]提出了基于微分補(bǔ)償環(huán)節(jié)虛擬慣性的VSG控制策略，通過在一階虛擬慣性環(huán)節(jié)上增加微分環(huán)節(jié)以加快頻率和功率的響應(yīng)速度，實現(xiàn)了在保證輸出功率穩(wěn)態(tài)控制精度的同時增加系統(tǒng)的阻尼，減小了動態(tài)過程中的有功超調(diào)。文獻(xiàn)[22]中，為了改進(jìn)微分補(bǔ)償環(huán)節(jié)虛擬慣性在初始響應(yīng)階段慣性較小的問題，提出了二階虛擬慣性控制算法，雖然該算法提高了初始響應(yīng)階段的慣性，但在整個動態(tài)過程中，其頻率變化率仍比傳統(tǒng)一階虛擬慣性大。對于“雙高”弱電網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的短路容量比和慣性較低，系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性由穩(wěn)態(tài)頻率、頻率最低點和動態(tài)響應(yīng)初始階段的頻率變化率三者共同決定，且頻率變化率占主導(dǎo)作用。因此，新能源逆變器采用上述各種改進(jìn)虛擬慣性算法時，難以較好地用于頻率穩(wěn)定性提升。

針對此問題，本文首先，分析了基于現(xiàn)有一階虛擬慣性、基于微分補(bǔ)償環(huán)節(jié)虛擬慣性和二階虛擬慣性算法的新能源逆變器在獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行時的頻率和有功穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性；然后，在比較總結(jié)各虛擬慣性算法的特性和存在問題的基礎(chǔ)上，提出了基于頻率穩(wěn)定性提升的二階虛擬慣性優(yōu)化控制策略，以減小逆變器動態(tài)響應(yīng)初始階段的頻率變化率。該算法既可以保持有功穩(wěn)態(tài)的精度、抑制動態(tài)功率振蕩，又可以提高逆變器動態(tài)響應(yīng)初始階段的頻率支撐能力。最后，搭建了一臺100 kW新能源逆變器并網(wǎng)仿真平臺，對理論分析結(jié)果進(jìn)行仿真驗證。仿真結(jié)果證明了所提控制策略的有效性。

1 基于改進(jìn)虛擬慣性的新能源逆變器特性分析

1.1 基于傳統(tǒng)一階虛擬慣性的逆變器特性分析

圖1 逆變器主電路及控制結(jié)構(gòu)圖

圖2 不同虛擬慣性算法的控制框圖

式(1)為一階慣性環(huán)節(jié)，穩(wěn)態(tài)頻率偏差由Kω+ Dω決定，動態(tài)慣性大小由Jω、Kω和Dω共同決定。其階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。

并網(wǎng)運(yùn)行時，逆變器輸出有功功率的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

1.2 基于微分補(bǔ)償環(huán)節(jié)虛擬慣性的逆變器特性分析

通過在TFVI算法的功率外環(huán)前向通道串聯(lián)一階微分環(huán)節(jié)，形成基于微分補(bǔ)償?shù)囊浑A虛擬慣性(Differential Compensation First-order Virtual Inertia, DCFVI)算法，如圖2(b)所示。

基于DCFVI 算法的逆變器在獨(dú)立運(yùn)行時，其傳遞函數(shù)為

DCFVI為超前滯后環(huán)節(jié)，比TFVI環(huán)節(jié)增加了一個零點，如圖3所示，其階躍響應(yīng)初始階段表現(xiàn)為下垂特性，慣性較小。

當(dāng)采用DCFIV 的逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時，其輸出的有功閉環(huán)傳遞函數(shù)為

1.3 基于二階虛擬慣性的逆變器特性分析

針對DCFVI算法存在的問題，通過在其結(jié)構(gòu)上串聯(lián)一個一階慣性環(huán)節(jié)，從而增加一個可調(diào)極點，對虛擬慣性的初始響應(yīng)特性進(jìn)行修正，形成二階虛擬慣性(Second-order Virtual Inertia, SVI)如圖2(c)所示。

采用SVI 的新能源逆變器獨(dú)立帶載運(yùn)行時，其傳遞函數(shù)為

當(dāng)采用SVI 算法的逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時，其輸出有功閉環(huán)傳遞函數(shù)為

2 基于頻率穩(wěn)定性提升的虛擬慣性優(yōu)化控制及特性分析

2.1 虛擬慣性優(yōu)化控制策略

本文針對上述TFIV算法、DCFIV算法和SVI 算法存在的問題，通過調(diào)整SVI算法中一階微分補(bǔ)償環(huán)節(jié)和一階慣性環(huán)節(jié)在功率外環(huán)前向通道的位置，提出了一種二階虛擬慣性優(yōu)化(Optimized Second-order Virtual Inertia, OSVI)算法，如圖2(d)所示。一階慣性環(huán)節(jié)仍串聯(lián)在指令功率與輸出功率差值之后，而微分前饋移至虛擬慣性環(huán)節(jié)之后，使OSVI的頻率階躍響應(yīng)在初始階段具有與SVI相似的快速響應(yīng)特性，以減小功率超調(diào)、抑制振蕩；在中后階段又具有比TFIV大的慣性，以提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。OSVI算法仍具有d和d兩個可自由調(diào)節(jié)的參數(shù)。下面具體分析這兩個參數(shù)對基于OSVI算法的逆變器運(yùn)行特性的影響。

2.2 基于OSVI的新能源逆變器獨(dú)立運(yùn)行特性

基于OSVI 的新能源逆變器在獨(dú)立帶載運(yùn)行時，其傳遞函數(shù)為

2.3 基于OSVI 的新能源逆變器并網(wǎng)運(yùn)行特性

當(dāng)基于OSVI 的新能源逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時，其輸出的有功閉環(huán)傳遞函數(shù)為

通過以上分析，基于TFVI、DCFVI和SVI 的虛擬慣性算法的逆變器頻率穩(wěn)定性、并網(wǎng)系統(tǒng)輸出有功穩(wěn)態(tài)控制精度和動態(tài)功率振蕩抑制能力，如表1所示。可以看出，OSVI算法既保持了SVI算法具有系統(tǒng)輸出有功穩(wěn)態(tài)精度高和動態(tài)超調(diào)小的特性，又具有較強(qiáng)的頻率支撐能力，彌補(bǔ)了DCFVI算法和SVI算法頻率穩(wěn)定性較差的缺點。

圖4 基于SVI和OSVI算法的新能源發(fā)電逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)零極點圖

表1 基于TFVI、DCFVI和SVI 算法的逆變器特性比較

3 仿真研究及結(jié)果

本文搭建了一臺100 kW 新能源逆變器的并網(wǎng)仿真模型，對采用TFVI、DCFVI、SVI和OSVI算法的新能源逆變器分別并聯(lián)強(qiáng)電網(wǎng)和弱電網(wǎng)時，其輸出有功和頻率特性進(jìn)行驗證。主電路參數(shù)和相關(guān)控制參數(shù)如表2所示。

表2 仿真平臺參數(shù)

算例1 采用不同虛擬慣性算法的新能源逆變器并聯(lián)強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行

圖6 采用不同虛擬慣性算法的逆變器并聯(lián)強(qiáng)電網(wǎng)仿真波形

算例2 采用不同虛擬慣性算法的新能源逆變器并聯(lián)弱電網(wǎng)運(yùn)行

根據(jù)以上仿真結(jié)果可以看出，基于本文所提OSVI算法的新能源逆變器在并網(wǎng)運(yùn)行工況下，其輸出有功不僅具有較高的穩(wěn)態(tài)控制精度及較好的功率振蕩抑制能力，而且具有較高的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文首先分析了現(xiàn)有基于傳統(tǒng)一階虛擬慣性、基于微分補(bǔ)償?shù)囊浑A虛擬慣性和基于二階虛擬慣性算法的新能源逆變器在獨(dú)立運(yùn)行及并網(wǎng)運(yùn)行的頻率和有功特性，總結(jié)了各虛擬慣性算法存在的問題。然后，針對頻率穩(wěn)定性提升問題，提出了二階虛擬慣性優(yōu)化控制策略，并分析了基于虛擬慣性優(yōu)化算法的新能源逆變器在獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行時的輸出頻率和有功穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性。二階虛擬慣性優(yōu)化算法可使逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)在保持較好有功穩(wěn)態(tài)控制精度和動態(tài)功率振蕩抑制能力的同時，提高弱電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。最后搭建仿真平臺對所提控制算法進(jìn)行了驗證，仿真結(jié)果證明了所提控制算法的有效性。下一步計劃中，將對所提控制算法進(jìn)行實驗驗證，并對基于虛擬慣性優(yōu)化算法的多臺新能源逆變器組網(wǎng)系統(tǒng)特性進(jìn)行研究。

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A virtual inertia optimization control strategy based on frequency stability improvement

XU Haizhen1, YU Changzhou1, MAO Fubin2, WU Zelin1, HU Taotao1, WANG Qinglong1

(1. Hefei University, Hefei 230601, China; 2. China Energy Engineering Group Anhui Electric Power Design Institute Co., Ltd., Hefei 230022, China)

When a new energy inverter with traditional first-order virtual inertia is connected to a weak power grid, there is an adjustment contradiction between its output active power steady-state and dynamic characteristics. First, the characteristics and problems of the new energy inverter with various improved structural virtual inertia in stand-alone and grid-connected mode are summarized. Then to promote frequency stability, a second-order virtual inertia optimization control strategy is proposed, one which adjusts the positions of the first-order differential compensation link and the first-order inertia link in the outer power loop forward channel of the second-order virtual inertia algorithm. Finally, a 100 kW new energy inverter grid-connected system simulation platform is built to verify the theoretical analysis. Theoretical analysis and simulation show that the proposed algorithm effectively reduces the frequency change rate in the initial response stage and improves system frequency stability while maintaining the active power steady-state characteristics and power oscillation damping ability.

virtual inertia; active power oscillation; frequency stability; virtual synchronous generator

10.19783/j.cnki.pspc.211059

2021-08-10；

2021-10-03

徐海珍(1988—)，女，博士，副教授，研究方向為微網(wǎng)與新能源發(fā)電變流器控制技術(shù)，虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)；E-mail: xhzicy@sina.com

余暢舟(1987—)，男，通信作者，博士，副教授，研究方向為智能光伏發(fā)電逆變器控制技術(shù)，分布式發(fā)電及其電力電子化穩(wěn)定控制技術(shù)。E-mail: ycz87@163.com

安徽省自然科學(xué)基金青年項目資助(1908085QE 208)；國家自然科學(xué)基金青年項目資助(51907046)；安徽省高校自然科學(xué)研究重大項目資助(KJ2020ZD58)

This work is supported by the Youth Fund of Natural Science Foundation of Anhui Province (No. 1908085QE208).

(編輯 許 威)