基于VSG技術(shù)的分布式電源自適應(yīng)阻尼控制研究

周 艷 朱 慧 戚思源 吳文龍

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司鹽城市大豐區(qū)供電分公司）

0 引言

分布式電源多為數(shù)千瓦到50WM功率左右的小型模塊式獨(dú)立電源，能實(shí)現(xiàn)個(gè)性化供電服務(wù)。VSG技術(shù)支撐下分布式電源有望實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)供電，在調(diào)頻調(diào)壓作用下表現(xiàn)自適應(yīng)阻尼控制功能，產(chǎn)生同步發(fā)電機(jī)等效服務(wù)特點(diǎn)，確保分布式電源在供電環(huán)節(jié)賦予用戶持穩(wěn)可靠的用電體驗(yàn)，理應(yīng)依據(jù)實(shí)際使用需求完善自適應(yīng)阻尼控制優(yōu)化計(jì)劃，充分提升供電服務(wù)質(zhì)量。

1 分布式電源自適應(yīng)阻尼控制優(yōu)化目的

1.1 消除欠阻尼風(fēng)險(xiǎn)

分布式電源能實(shí)現(xiàn)局部地區(qū)獨(dú)立用電計(jì)劃，本文提出依靠VSG技術(shù)強(qiáng)化自適應(yīng)阻尼控制功能，主要為了進(jìn)一步消除欠阻尼風(fēng)險(xiǎn)。所謂欠阻尼指的是在“傳輸線特性阻抗＜負(fù)載阻抗”條件下出現(xiàn)能量反射問題。該現(xiàn)象的出現(xiàn)不但容易增加供電成本，而且會(huì)破壞電源系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，其電壓波形圖如1所示。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，電壓呈現(xiàn)先增后降趨勢(shì)，具體可參照下述公式評(píng)估反射狀態(tài)。

即：

其中，ρ為反射系數(shù)；ZL、Z0為反射電壓、入射電壓。

ρ＞0情況下呈現(xiàn)過沖反應(yīng)；ρ＜0為電壓下降狀態(tài)。經(jīng)過VSG技術(shù)的有效輔助，可在調(diào)壓作用下防范欠阻尼風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)分布式電源持穩(wěn)運(yùn)行。

圖1 欠阻尼仿真分析下分布狀態(tài)（負(fù)載阻抗-傳輸線阻抗：100～70Ω）

1.2 減小頻率偏差

在按照原有同步發(fā)電機(jī)使用分布式電源時(shí)，常忽視頻率偏差對(duì)電源運(yùn)行狀態(tài)的干擾，VSG技術(shù)能實(shí)現(xiàn)虛擬慣量（J轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）、阻尼系數(shù)（D）動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，繼而體現(xiàn)無差調(diào)頻特征。一般而言可參照下述公式歸納J與D的變化規(guī)律。

即：

其中，Tm、Te、Pm、Pe、ωm、ωe、ω、P0分別指代原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩、原動(dòng)機(jī)及同步發(fā)電機(jī)的輸出功率、原動(dòng)機(jī)及同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行頻率及實(shí)際角頻率、負(fù)荷功率。

從中可以發(fā)現(xiàn)VSG技術(shù)下能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)頻率偏差，以此在調(diào)頻作用下保持電壓幅值平穩(wěn)。按照上述內(nèi)容可驗(yàn)證VSG技術(shù)下優(yōu)化分布式電源自適應(yīng)阻尼控制功能，以便改善運(yùn)行狀態(tài)。

2 VSG技術(shù)原理分析

VSG技術(shù)與自適應(yīng)阻尼控制的相關(guān)性，多體現(xiàn)在分布式電源應(yīng)用VAS技術(shù)后，能夠改進(jìn)原有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。由于原有發(fā)電機(jī)中可為電源給予備用容量，便于并網(wǎng)后快速體現(xiàn)自適應(yīng)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)阻尼可控。在電源運(yùn)行中其電壓回路多滿足下述公式標(biāo)準(zhǔn)：

圖2 分布式電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖（三相橋式逆變器）

其中，Vabc、、L各自表示電容端三相電壓、輸出三相電壓、濾波電感等效電阻、輸出電流、濾波電感。

經(jīng)過VSG技術(shù)可促使三相電壓以相對(duì)平衡的狀態(tài)釋放電能，自此有效處理原有發(fā)電機(jī)難以達(dá)到的調(diào)頻調(diào)壓效果。

按照仿真分析法對(duì)VSG技術(shù)中分布式電源逆變器結(jié)構(gòu)予以研究時(shí)，能夠結(jié)合有功頻率變化情況達(dá)到增大阻尼系數(shù)的目的。

式中，kp為有功下垂系數(shù)；ω0、ωg為原有角頻率、公共母線處角頻率測(cè)量值。

實(shí)際上，在并網(wǎng)分布式電源數(shù)量增加情況下，頻率偏差隨之增大，此時(shí)VSG技術(shù)指引下，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)角頻率和功率、電壓等參數(shù)范圍的合理控制，進(jìn)一步防止并網(wǎng)后電源運(yùn)行時(shí)引起電力系統(tǒng)失穩(wěn)后果，繼而適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境促進(jìn)分布式電源裝置保有平衡性能［1］。

3 基于VSG技術(shù)的分布式電源自適應(yīng)阻尼控制優(yōu)化路徑

3.1 建立VSG仿真模型

基于VSG技術(shù)優(yōu)化分布式電源自適應(yīng)阻尼控制功能時(shí)，可以運(yùn)用仿真分析法先行建立VSG仿真模型，從中分析優(yōu)化方案的優(yōu)越性和可行性。在建模時(shí)可以圍繞分布式電源結(jié)構(gòu)特征和參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)將J值、D值設(shè)置為0.3kg·m2、0N·m·s／rad，電樞繞組電阻為0.01Ω，濾波電容為15.6mH，電感為10.5uF，直流電壓源800V，額定功率10kW。在統(tǒng)計(jì)好仿真模型參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)后，還應(yīng)明確仿真模型仿真分析順序，即在分布式電源運(yùn)行中依靠VSG技術(shù)優(yōu)化系統(tǒng)性能，此時(shí)從額定功率條件下運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷量在10kW 降為6kW，之后變化為8kW，且均保持1s運(yùn)行周期情況下記錄仿真模型反饋效果［2］。根據(jù)仿真模型分析結(jié)果確定電壓輸出值始終未超過，證明在VSG技術(shù)可達(dá)到優(yōu)化輸出性能和參數(shù)可控目的，表明此技術(shù)的應(yīng)用能促使分布式電源有效應(yīng)對(duì)頻率偏差、增壓下產(chǎn)生的不良風(fēng)險(xiǎn)。

于仿真模型中對(duì)VSG技術(shù)應(yīng)用效果加以分析時(shí)，還可以參照公式（2）對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和頻率ωn相關(guān)性加以研究，一般前一項(xiàng)數(shù)據(jù)變大，后一項(xiàng)將減小，并且在分布式電源呈現(xiàn)負(fù)載狀態(tài)時(shí)，同步發(fā)電機(jī)更易形成功率失調(diào)（電磁功率與機(jī)械功率）問題，而VSG技術(shù)可通過模擬量的綜合分析為電源提供自適應(yīng)條件，使之保持阻尼平衡，預(yù)防在功率突變狀況下影響電壓分布穩(wěn)定性。而且在阻尼系數(shù)D變大時(shí)，超調(diào)也隨之上升，此時(shí)形成的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間反而縮減，經(jīng)由VSG技術(shù)可在模擬分析場(chǎng)景下延緩系統(tǒng)頻率響應(yīng)速度，為系統(tǒng)提供適應(yīng)新頻率狀態(tài)的預(yù)留時(shí)間［3］。

3.2 優(yōu)化控制參數(shù)

以VSG技術(shù)改進(jìn)分布式電源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)阻尼控制功能優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)重點(diǎn)優(yōu)化阻尼系數(shù)k參數(shù)，以自適應(yīng)阻尼參數(shù)改善系統(tǒng)性能。通常應(yīng)用VSG技術(shù)可以確保分布式電源中使用的同步發(fā)電機(jī)保持等效分布狀態(tài)。結(jié)合公式（5）可判定分布式電源在阻尼系數(shù)下受到的具體影響。在阻尼控制系數(shù)達(dá)到阻尼臨界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，此時(shí)分布式電源中同步發(fā)電機(jī)基本未見超調(diào)現(xiàn)象，而參數(shù)減小則容易出現(xiàn)欠阻尼后果，而系統(tǒng)參數(shù)在自適應(yīng)控制優(yōu)化處理后可以隨時(shí)增加參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值的契合度［4］。

同時(shí)，針對(duì)分布式電源運(yùn)行中涉及的變慣量，可以根據(jù)相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式表達(dá)參數(shù)關(guān)系。

式中，Jmax、J0代表分布式電源中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量允許最大值和VSG技術(shù)下轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。且Jmax的自適應(yīng)控制多與虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下出現(xiàn)頻率偏移有關(guān)，經(jīng)過對(duì)自適應(yīng)參數(shù)的優(yōu)化控制可以增強(qiáng)多樣性運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)穩(wěn)定性。于自適應(yīng)阻尼控制優(yōu)化階段，通常要求阻尼比滿足0.27～0.8的相關(guān)要求。無論是系統(tǒng)頻率突變還是電壓變化，均可在自適應(yīng)控制參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)下保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。阻尼比作為系統(tǒng)約束條件，在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求后還能在VSG逆變器支持下減小超調(diào)，促進(jìn)輸出電壓始終保持相對(duì)穩(wěn)定的變化狀態(tài)，電壓和頻率在VSG技術(shù)逆變器下利用自適應(yīng)阻尼控制參數(shù)逐漸發(fā)揮可調(diào)控作用。

3.3 完善控制模塊

3.3.1 頻率模塊

VSG其實(shí)就相當(dāng)于是一個(gè)逆變電源，因此在進(jìn)行頻率模塊優(yōu)化時(shí)，要將分布式電源控制結(jié)構(gòu)中發(fā)電機(jī)測(cè)速器進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，利用指令信號(hào)偏差進(jìn)行系統(tǒng)反饋信息的輸出。在這一過程中，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)同步功能模擬期間，可以利用轉(zhuǎn)子機(jī)械方程，將H設(shè)為VSG的慣量虛擬常數(shù)項(xiàng)。隨后，對(duì)逆變型分布式電源（IIDG）實(shí)施孤島運(yùn)行模擬，利用下垂控制關(guān)系，對(duì)頻率模塊予以優(yōu)化調(diào)整。同時(shí)，為了保證發(fā)電機(jī)頻率的同步性，應(yīng)當(dāng)針對(duì)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行阻尼項(xiàng)介入，即加入k（Wr－Wgrid）。最終得到頻率模塊的函數(shù)公式：

式中，Wgrid和Pref為輸出參考有功的頻率和功率；D為下垂系數(shù)；P為逆變器端口的輸出有功功率。

利用公式（7）對(duì)頻率模塊進(jìn)行電網(wǎng)頻率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)電源發(fā)出的有功功率的輸出數(shù)值，通過輸出IIDG相位角命令，調(diào)控輸出頻率。

3.3.2 電壓模塊

針對(duì)電壓模塊進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，相較于傳統(tǒng)的慣性虛擬頻率電壓輸出指令而言，其電壓模塊指令中主要包含兩部分，即電壓無功下垂指令和調(diào)節(jié)無功功率誤差指令。這兩個(gè)指令能夠提高電壓模塊自動(dòng)化調(diào)節(jié)的精準(zhǔn)性，保證并網(wǎng)運(yùn)行過程中電壓充分滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求。本文結(jié)合無功電壓這一方法手段，對(duì)電壓模塊展開優(yōu)化控制，通過引入比例積分，將無功功率偏差造成的輸出電壓波動(dòng)降至最低狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式逆變電源電壓參數(shù)的有效調(diào)控，電壓形式可以參考下列公式予以分析：

式中，k為比例積分的參數(shù)；Qref為輸出功率參考值。該公式中引入的比例積分即為PI。在比例積分控制器運(yùn)行下，即便系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)干擾項(xiàng)，相應(yīng)的電壓模塊也能夠及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而找到系統(tǒng)運(yùn)行的平衡工作點(diǎn)，保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

3.4 優(yōu)化方案驗(yàn)證分析

通過進(jìn)行仿真試驗(yàn)，對(duì)于本文中的優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證，分別進(jìn)行兩組試驗(yàn)，一組采用自適應(yīng)阻尼系數(shù)進(jìn)行控制，另一組選擇固定阻尼系數(shù)進(jìn)行控制，將兩組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行仿真對(duì)比［5］。結(jié)果表明，采用自適應(yīng)阻尼系數(shù)進(jìn)行控制的系統(tǒng)，在輸出有功值小于試驗(yàn)設(shè)定值時(shí)，k值大小與系統(tǒng)響應(yīng)速度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，即k越大，系統(tǒng)響應(yīng)速度越慢。在輸出有功值大于試驗(yàn)設(shè)定值時(shí)，k值大小與系統(tǒng)超調(diào)之間同樣成反比，即k越小，系統(tǒng)超調(diào)越高。由此看出，采用自適應(yīng)阻尼系數(shù)進(jìn)行控制的系統(tǒng)其輸出有功更具動(dòng)態(tài)性，結(jié)果更加精準(zhǔn)。因此，自適應(yīng)阻尼系數(shù)能夠優(yōu)化IIDG的輸出特性，減少系統(tǒng)運(yùn)行中干擾項(xiàng)的影響，保證分布式電源平穩(wěn)運(yùn)行。

4 結(jié)束語

綜上所述，分布式電源在VSG技術(shù)導(dǎo)向下能逐步擁有良好的自適應(yīng)阻尼控制功能，進(jìn)而增強(qiáng)供電穩(wěn)定性和可靠性。據(jù)此，應(yīng)圍繞技術(shù)原理從VSG仿真模型、參數(shù)優(yōu)化、控制模塊、方案驗(yàn)證等方面著手，逐步解決消除欠阻尼風(fēng)險(xiǎn)和減小頻率偏差等問題，便于在實(shí)踐研究階段歸納分布式電源改造設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，助力該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用推廣，滿足電能用戶高質(zhì)量用電服務(wù)需求。