基于VSG的附加阻尼控制及其在光儲并網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

文章編號" 1000-5269（2024）01-0083-06

DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2024.01.13

收稿日期：2023-05-06

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52067004）；貴州省科學(xué)技術(shù)基金資助項(xiàng)目（[2022]154）

作者簡介：郭" 丹（1998—），女，在讀碩士，研究方向：電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制，E-mail：18720268839@163.com.

*通訊作者：熊" 煒，E-mail：wxiong@gzu.edu.cn.

摘" 要：大規(guī)模光伏就近接入系統(tǒng)后，將導(dǎo)致系統(tǒng)的慣性整體下降，在系統(tǒng)遭受擾動后降低其穩(wěn)定裕度，極端情況下出現(xiàn)功率振蕩。將基于虛擬同步的附加阻尼控制策略應(yīng)用于光儲并網(wǎng)系統(tǒng)中。首先，建立光儲并網(wǎng)的小信號模型，分析系統(tǒng)的阻尼特性；其次，在光儲逆變側(cè)采用基于虛擬同步發(fā)電機(jī)（virtual synchronous generator， VSG）的附加阻尼控制，并通過小信號模型分析了附加阻尼控制對系統(tǒng)頻率振蕩的影響；再次，在PSCAD/EMTDC環(huán)境中建立光儲并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，與傳統(tǒng)控制策略進(jìn)行對比，結(jié)果驗(yàn)證了所提附加阻尼控制的有效性和正確性。

關(guān)鍵詞：光儲并網(wǎng)；虛擬同步發(fā)電機(jī)；附加阻尼；頻率振蕩

中圖分類號：TM743

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著化石能源的逐漸枯竭和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，大力開發(fā)利用可再生能源已成為大勢所趨［1-3］。光伏作為清潔能源得到了廣泛的應(yīng)用，裝機(jī)比例不斷上升。然而，大規(guī)模光伏通過逆變器并入電力系統(tǒng)，嚴(yán)重削弱了系統(tǒng)的慣量水平和阻尼能力，導(dǎo)致頻率振蕩現(xiàn)象頻發(fā)，威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［4-6］。目前，抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的方法主要有電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（power system stabilizer， PSS）、儲能裝置和附加阻尼裝置等［7-9］。但以上方法都需要加裝一定的設(shè)備，經(jīng)濟(jì)效益不高且在可再生能源高滲透的系統(tǒng)中受限。

文獻(xiàn)［10］提出一種光伏-同步機(jī)廣域協(xié)調(diào)阻尼控制，可以實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)與光伏電站阻尼控制之間的協(xié)同控制，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。文獻(xiàn)［11］建立了計及光伏的慣量支撐和調(diào)頻能力的電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型，并根據(jù)頻率偏差量和變化率量化不同場景下的頻率響應(yīng)特性。但是上述改善系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的控制策略通常較為復(fù)雜，已有學(xué)者提出采用虛擬同步發(fā)電機(jī)（virtual synchronous generator， VSG）技術(shù)可以為系統(tǒng)提供慣量和阻尼支撐，從而減弱可再生能源并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來的沖擊。文獻(xiàn)［12］提出一種基于儲能協(xié)調(diào)的光儲微網(wǎng)改進(jìn)虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略，通過對VSG控制的改進(jìn)，抑制光儲系統(tǒng)的頻率偏差。但是如何將附加阻尼控制引入VSG控制策略中，并將其應(yīng)用于光儲并網(wǎng)系統(tǒng)低頻振蕩抑制中，目前少有研究。

為此，本文建立光儲并網(wǎng)系統(tǒng)的小信號模型，分析系統(tǒng)抑制低頻振蕩的機(jī)理；在此基礎(chǔ)上引入基于VSG的附加阻尼控制策略，建立系統(tǒng)小信號模型，并分析附加阻尼控制抑制低頻振蕩的機(jī)理；最后，通過PSCAD仿真平臺驗(yàn)證了該策略的有效性。

1" 光儲并網(wǎng)系統(tǒng)抑制低頻振蕩機(jī)理分析

圖1是光儲并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。其中：PG和δ分別為同步發(fā)電機(jī)的輸出功率及功角；PS為無窮大電網(wǎng)的輸出功率；PPE和QPE分別為光儲系統(tǒng)輸出的有功功率和無功功率;X1、X2、XPE為線路的等效電抗［13-14］;U、Ug和Us分別為光儲系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)、同步發(fā)電機(jī)和無窮大電網(wǎng)的電壓。

同步發(fā)電機(jī)和網(wǎng)側(cè)的輸出功率分別為：

PG=UgU sin θX1（1）

PS=UsU sin（δ－θ）X2（2）

PG+PPE=PS（3）

將式（1）和式（2）線性化后代入式（3）可得

Δθ=UsX1cos（δ0－θ0）UgX2 cos θ0+UsX1cos（δ0－θ0）×

（Δδ－X2UsU cos（δ0－θ0）ΔPPE）（4）

將式（4）代入線性化的式（1）有

ΔPG=AUgU cos θ0X1Δδ－UgX2 cos θ0UsX1cos（δ0－θ0）ΔPPE（5）

A=UsX1cos（δ0－θ0）UgX2cos θ0+UsX1cos（δ0－θ0）

同步發(fā)電機(jī)經(jīng)典二階模型的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程［15］可表示為

Hdωdt=Pm－PG－D（ω－1）

dδdt=ω－1 （6）

式中：H和D分別為同步發(fā)電機(jī)的慣量和阻尼系數(shù)；Pm為同步發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械功率；ω為角速度。

將其線性化后可表示為

Hs2Δδ+DsΔδ+ΔPG=0（7）

式中，s為拉氏變換算子。將式（5）代入式（7）可得

Hs2Δδ+DsΔδ+AUgU cos θ0X1Δδ－

AUgX2cos θ0UsX1cos（δ0－θ0）ΔPPE=0（8）

當(dāng)光伏側(cè)采用傳統(tǒng)逆變器控制時，ΔPPE=0，系統(tǒng)的阻尼不變，此時有

Hs2Δδ+DsΔδ+AUgU cos θ0X1Δδ=0（9）

根據(jù)上述分析可知，當(dāng)光伏側(cè)逆變器采用傳統(tǒng)控制時，無法為系統(tǒng)提供功率支撐，增強(qiáng)了系統(tǒng)的阻尼。因此，本文提出在光儲系統(tǒng)側(cè)逆變器采用VSG技術(shù)，并引入附加阻尼控制策略，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩時，光儲可以提供足夠的功率支撐，有效抑制振蕩。

2" 附加阻尼控制抑制低頻振蕩原理

VSG控制策略由主電路和VSG控制系統(tǒng)組成，如圖2所示。對于主電路部分，主要由6個全控型IGBT組成，R和L分別為等效電阻和同步電感，C為濾波電路的電容，uabc和iabc分別為逆變器濾波后輸出的電壓和電流。光伏和儲能提供穩(wěn)定的直流電壓，為了便于分析，用直流電壓源Udc等效代替。對于控制部分，VSG控制器通過功率計算得到瞬時的有功功率P和無功功率Q，再經(jīng)過虛擬調(diào)速器控制和虛擬勵磁器控制后分別生成參考電壓的幅值和相位，并合成三相電壓矢量，經(jīng)過dq變換和電壓電流雙閉環(huán)控制得到調(diào)制波，并經(jīng)過SVPWM調(diào)制控制開關(guān)器件的開斷。

由于VSG是通過引入同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程和定子電壓方程，使光儲并網(wǎng)系統(tǒng)具有虛擬慣量和阻尼特性，VSG的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程可表示為

Jdωdt=Pm1－Pe1ωref－Dv（ω－ωref）

dδdt=ω－ωref （10）

式中：J為虛擬慣量；Pm1和Pe1分別為輸入的機(jī)械功率和輸出的電磁功率；Dv為VSG的阻尼系數(shù)；ω和ωref分別為VSG的實(shí)際角速度、額定角速度；δ為電角度。

本文采用基于附加阻尼控制的VSG技術(shù)有功-頻率環(huán)，如圖3所示。其根據(jù)系統(tǒng)頻率變化調(diào)節(jié)VSG輸入和輸出的有功功率，達(dá)到增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼，抑制系統(tǒng)低頻振蕩的目的。無功-電壓控制如圖4所示。

圖中：Kw為附加阻尼控制系數(shù)；Kq為無功電壓調(diào)節(jié)系數(shù)；K為無功積分系數(shù)。

根據(jù)有功-頻率控制可得

ΔPm1=－KwΔω（11）

將式（11）代入式（10）得

ΔPe1=（－Kw－Dvωref－Jωrefs）Δω（12）

將式（12）代入式（8）得：

H1s2Δδ+D1sΔδ+AUgU cos θ0X1Δδ=0（13）

H1=H+AJωrefUgX2cos θ0UsX1cos（δ0－θ0）（14）

D1=Dv+A（Kw+Dvωref）UgX2cos θ0UsX1cos（δ0－θ0）（15）

式中：H1和D1分別為光儲并網(wǎng)系統(tǒng)的等效慣量和阻尼系數(shù)。

根據(jù)式（11）—（15）可知：基于附加阻尼控制的VSG技術(shù)的引入，增強(qiáng)了光儲并網(wǎng)系統(tǒng)的等效慣量和阻尼，抑制振蕩的效果將更加顯著。

3" 仿真分析

為了驗(yàn)證所采用的基于附加阻尼控制的VSG技術(shù)的正確性，在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型并驗(yàn)證。系統(tǒng)主要仿真參數(shù)為：光照強(qiáng)度1 200 W/m2，溫度28 ℃，直流母線電壓1 kV，初始負(fù)荷5 MW，濾波電感3 mH，濾波電容20 μF，額定頻率50 Hz。

3.1" 參數(shù)對頻率響應(yīng)的影響

圖5—圖7為在5 s左右突增3 MW的有功負(fù)荷時系統(tǒng)的頻率變化曲線，其分析了虛擬慣量J、阻尼系數(shù)Dv、Kw不同的取值對系統(tǒng)低頻振蕩的抑制效果。令Kw=0，Dv=15 N·m·s/rad，則虛擬慣量對系統(tǒng)頻率的影響如圖5所示。由圖5可知：隨著J的取值增大，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)逐漸變慢，超調(diào)量變大，并且系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間變長。圖6為Kw=0，J=0.5 kg·m2時，阻尼系數(shù)對系統(tǒng)頻率的影響。由圖6可以看出：隨著Dv取值的增大，系統(tǒng)頻率振蕩的衰減速度加快，超調(diào)量變小，調(diào)節(jié)時間縮短，系統(tǒng)的阻尼性能逐漸增強(qiáng)。

令J=0.5 kg·m2，Dv=15 N·m·s/rad，分析Kw對系統(tǒng)頻率的影響，如圖7所示。從圖7可以看出：相較于Kw=0，系統(tǒng)頻率振蕩的幅度顯著減小，且隨著Kw的增大，系統(tǒng)振蕩的幅值減小，阻尼性能更強(qiáng)。綜上所述，參數(shù)的選取要參考系統(tǒng)的具體情況，在一定范圍內(nèi)，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動慣量或者阻尼系數(shù)，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，同時加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2" 負(fù)載突增下的頻率及功率響應(yīng)

在5 s左右系統(tǒng)突增3 MW的有功負(fù)荷時，逆變器采用不同控制策略下系統(tǒng)的頻率振蕩曲線，如圖8所示。由圖8可以看出：傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制、無附加阻尼VSG控制與附加阻尼VSG控制下，頻率恢復(fù)穩(wěn)定所需時間分別為10 s、8 s和5 s，附加阻尼VSG控制下系統(tǒng)的頻率振蕩幅值和調(diào)節(jié)時間明顯減小。因此，當(dāng)功率發(fā)生擾動時，附加阻尼VSG控制可以增強(qiáng)系統(tǒng)的阻尼性能，有效抑制系統(tǒng)的頻率振蕩。

圖9為在5 s左右系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩時，逆變器分別采用傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制、無附加阻尼VSG控制與附加阻尼VSG控制策略時，對應(yīng)輸出的有功功率。由于負(fù)載增大時，轉(zhuǎn)子角速度ω在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)處振蕩，因此相應(yīng)的功率需求發(fā)生波動。從圖9可以看出：逆變器采用傳統(tǒng)控制時，由于系統(tǒng)慣性不足，頻率振蕩對逆變器輸出的有功功率影響不大，此時無法提供功率支撐；逆變器采用無附加阻尼VSG控制時，VSG控制為系統(tǒng)提供一定的慣量和阻尼，此時逆變器輸出的最大有功功率為21.6 MW，可以響應(yīng)系統(tǒng)的頻率振蕩為其提供短期的功率支撐；逆變器采用附加阻尼VSG控制時，與其他控制相比，逆變器可以根據(jù)系統(tǒng)頻率的變化快速響應(yīng)，為系統(tǒng)提供足夠的功率支撐，此時逆變器輸出的最大有功功率為23 MW，系統(tǒng)的阻尼性能更強(qiáng)，可以緩解系統(tǒng)的功率不平衡，加速系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

3.3" 負(fù)載突減下的頻率及功率響應(yīng)

在5 s左右系統(tǒng)突減3 MW的有功負(fù)荷時，逆變器采用不同控制策略下系統(tǒng)的頻率振蕩曲線和功率響應(yīng)曲線分別如圖10和圖11所示。VSG附加阻尼控制策略的抑制效果與上述突增3 MW的有功負(fù)荷類似。根據(jù)仿真結(jié)果可知：在負(fù)荷突增和突減的情況下，附加阻尼VSG控制都能根據(jù)系統(tǒng)的頻率偏差調(diào)節(jié)有功功率，有效抑制系統(tǒng)的低頻振蕩，進(jìn)一步縮小頻率的振蕩幅度，使系統(tǒng)快速恢復(fù)穩(wěn)定。

4" 結(jié)論

由于大規(guī)模光伏并網(wǎng)可能會給系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來沖擊，本文提出采用基于VSG的附加阻尼控制策略抑制光儲并網(wǎng)系統(tǒng)中的低頻振蕩。通過建立光儲并網(wǎng)系統(tǒng)小信號模型，分析得到附加阻尼控制的引入可以增強(qiáng)系統(tǒng)的阻尼特性；并且仿真分析證明了在負(fù)載突變時，該控制策略可以有效抑制系統(tǒng)的低頻振蕩。相比于傳統(tǒng)VSG控制策略，其顯著縮短了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間，減小頻率超調(diào)量，有效改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

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（責(zé)任編輯：周曉南）

Additional Damping Control Based on VSG and its Application

in Photovoltaic Storage Grid-Connected System

GUO Dan， XIONG Wei*， YUAN Xufeng， DAI Kanglin

（School of Electrical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China）

Abstract：

When large-scale photovoltaic is connected to the system nearby， the inertia of the system will decrease as a whole， and its stability margin will be reduced after the system is disturbed， and power oscillation will occur in extreme cases. In this paper， an additional damping control strategy based on virtual synchronization is proposed and applied to photovoltaic storage grid-connected system. Firstly， a small signal model is established to analyze the damping characteristics of the system. Secondly， the additional damping control based on virtual synchronous generator is proposed in the photovoltaic storage inverter side， and the effect of additional damping control on the frequency oscillation of the system is analyzed by small signal model. Finally， the simulation model of the photovoltaic storage grid-connected system is established in the PSCAD/EMTDC environment， and compared with the traditional control strategy， the effectiveness and correctness of the proposed virtual synchronous generation control are verified.

Key words：

photovoltaic storage connected to the grid; virtual synchronous generator; additional damping; frequency oscillations