基于孤島微電網(wǎng)下的VSG虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制策略

摘要：虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）控制算法能夠模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的外特性，控制逆變器為大電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐，以及相應(yīng)的慣性和阻尼特性，使得大電網(wǎng)的穩(wěn)定性得到提高。基于孤島微電網(wǎng)下的VSG虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制策略，在外環(huán)中引入勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，考慮實(shí)際導(dǎo)線參數(shù)，提出一種多VSG并聯(lián)組網(wǎng)下的功率分配策略，通過搭建兩臺(tái)不同容量的VSG并聯(lián)系統(tǒng)仿真模型，實(shí)現(xiàn)VSG在并網(wǎng)下按照額定容量比進(jìn)行功率分配。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，多VSG并聯(lián)下的功率分配策略可以實(shí)現(xiàn)離/并網(wǎng)運(yùn)行模式的無縫、平滑切換，有較好的可行性與適用性。

0 引言

微電網(wǎng)是各種類型的分布式電源并網(wǎng)的重要形式，也是清潔能源與電網(wǎng)之間的橋梁。隨著分布式電源滲透率的提高，增大對(duì)大電網(wǎng)電壓和頻率的不利影響，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性是亟待解決的。傳統(tǒng)的微網(wǎng)逆變器控制策略幾乎沒有慣性，無法為電網(wǎng)提供穩(wěn)定性支撐，所以需要新的控制策略來改善新能源的調(diào)頻調(diào)壓特性，對(duì)未來智慧城市的建設(shè)具有重要意義。

虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)的外接口特性能夠與同步發(fā)電機(jī)(SG)相媲美，具備SG所固有的轉(zhuǎn)子慣性、調(diào)頻調(diào)壓特性、下垂外特性以及輸出阻抗特性，對(duì)維持大電網(wǎng)穩(wěn)定性具有重要意義，利用VSG算法將逆變器控制成具有SG的特性，在負(fù)荷變化過程中，維持頻率和電壓穩(wěn)定[1]。文獻(xiàn)[1]通過模擬同步發(fā)電機(jī)的預(yù)同步裝置，實(shí)現(xiàn)虛擬同步發(fā)電機(jī)并/離網(wǎng)無縫切換，并且給出了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)的參數(shù)優(yōu)化方法，但沒有考慮實(shí)際參數(shù)的物理意義。文獻(xiàn)[2-3]按照SG的電磁暫態(tài)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要考慮了有功調(diào)頻和無功調(diào)壓特性，保證了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程頻率和輸出電壓的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[4]對(duì)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程線性化處理，提出了阻尼參數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量優(yōu)化方案，但沒有給出電磁暫態(tài)特性及調(diào)壓特性，弱電網(wǎng)下難以支撐電壓。

本文基于孤島微電網(wǎng)下的VSG虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制策略，結(jié)合VSG控制框圖，首先詳細(xì)闡述了虛擬同步發(fā)電機(jī)各個(gè)控制部分的基本原理，其次以兩臺(tái)不同容量的VSG為例，提出并聯(lián)組網(wǎng)時(shí)的功率分配策略，通過搭建兩臺(tái)不同容量的VSG并聯(lián)系統(tǒng)仿真模型，實(shí)現(xiàn)VSG在并網(wǎng)下按照額定容量比進(jìn)行功率分配。最后經(jīng)過驗(yàn)證，多VSG并聯(lián)下的功率分配策略可以實(shí)現(xiàn)離/并網(wǎng)模式下的無縫平滑切換。

1 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略

虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略主要包括功頻調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、電氣控制部分、雙閉環(huán)控制以及預(yù)同步過程五個(gè)部分，調(diào)制部分為SPWM調(diào)制用于驅(qū)動(dòng)IGBT的通斷，VSG控制框圖如圖1所示。

1.1 功頻調(diào)節(jié)器

由原動(dòng)機(jī)方程和機(jī)械轉(zhuǎn)子方程共同組成功頻調(diào)節(jié)器，假設(shè)極對(duì)數(shù)為1，VSG的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程如式(1)。

式中：ω為轉(zhuǎn)子角速度；ω0為空載轉(zhuǎn)子角速度；Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Pm、Pe分別為機(jī)械功率和電磁功率；D為虛擬阻尼系數(shù)；J為虛擬慣量。虛擬同步機(jī)的功頻調(diào)節(jié)器能夠在并網(wǎng)跟蹤的基礎(chǔ)上對(duì)頻率的偏差做出有功調(diào)節(jié)響應(yīng)，有效提升多微源逆變器應(yīng)對(duì)頻率異常事件情況，有助于頻率的平穩(wěn)變化，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 電氣控制部分

現(xiàn)研究的逆變器控制算法大多數(shù)是逆變器輸出呈阻性，實(shí)際中同步發(fā)電機(jī)的輸出阻抗呈感性，故本文模擬同步發(fā)電機(jī)的外特性，VSG的電氣控制部分采用同步發(fā)電機(jī)的二階方程，為使VSG輸出阻抗呈感性，令r=0，如式(2)。

1.3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

通過無功調(diào)壓下垂特性得到VSG機(jī)端電壓的給定值Uref，其表達(dá)式：

式中：UN為額定電壓，Dq為無功調(diào)節(jié)系數(shù)，Qref、Q分別為無功指令和瞬時(shí)無功值。

VSG無功調(diào)壓控制部分較好地模擬同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定電壓的特性，使得輸出電壓在一個(gè)合理值，能夠更好地實(shí)現(xiàn)VSG并聯(lián)下的功率分配。

1.4 雙環(huán)控制

通過電壓和電流的相互解耦，實(shí)現(xiàn)電壓和電流的獨(dú)立控制能夠簡(jiǎn)化控制算法，使得多微源逆變器的電壓控制方式是由電壓外環(huán)控制器和電流內(nèi)環(huán)控制器組合來實(shí)現(xiàn)的，電壓外環(huán)的主要作用是確定電流內(nèi)環(huán)的參考值，電流內(nèi)環(huán)的主要作用是實(shí)現(xiàn)電流的快速跟蹤控制，輸出SPWM波的調(diào)制電壓信號(hào)?？刂瓶驁D如圖1所示。

1.5 預(yù)同步控制原理

為減少電流沖擊的影響，虛擬同步發(fā)電機(jī)并入微網(wǎng)前其輸出電壓頻率、相位和幅值必須與多微源母線電壓一致，預(yù)同步原理：q軸電壓經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后產(chǎn)生頻率調(diào)節(jié)量與VSG功頻調(diào)節(jié)器的輸出頻率疊加，產(chǎn)生微網(wǎng)母線電壓相位θ，并入多VSG時(shí)，為使Δω=0，必須切除并聯(lián)同步。此刻，VSG將和其他VSG共同承擔(dān)供電任務(wù)（注意VSG是空載并入逆變器的）。

總的來說，虛擬同步發(fā)電機(jī)控制的逆變器具有和傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)一樣的外特性，在穩(wěn)定電壓和頻率的同時(shí)，分別利用虛擬慣量和虛擬阻尼系數(shù)來提高微電網(wǎng)的頻率和電壓的穩(wěn)定性。

2 多VSG并聯(lián)時(shí)的功率分配策略

本文主要討論不同容量的兩臺(tái)VSG并聯(lián)組網(wǎng)時(shí)的功率分配，由于本文提出的基于VSG虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制策略可以通過調(diào)整虛擬阻抗的取值來調(diào)整其輸出阻抗的大小，圖2為含線路阻抗的兩臺(tái)VSG并聯(lián)示意圖，由于每臺(tái)VSG輸出有功功率和無功功率均受線路阻抗的影響，導(dǎo)致功率不能均分[5]。當(dāng)輸出阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線路阻抗時(shí)，線路阻抗對(duì)其影響可忽略。

忽略線路阻抗時(shí)，每臺(tái)VSG機(jī)端輸出功率為：

要按照額定容量比進(jìn)行有功功率分配，即需要：

3 仿真分析

如圖3所示，為兩臺(tái)VSG控制的兩電平逆變器帶LC濾波器組成的并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖，基于此框圖和結(jié)合圖1的VSG控制圖，在MATLAB/simulink平臺(tái)上搭建模型，對(duì)提出的分配策略進(jìn)行驗(yàn)證。

仿真參數(shù)：直流母線電壓Udc=700 V，額定相電壓幅值UN=311 V，額定頻率f=50 Hz；VSG1仿真參數(shù)：J=12，D=18，調(diào)頻系數(shù)Kp=10 000，無功調(diào)節(jié)系數(shù)Dq=0.03，虛擬阻抗Lvir1=5 mH，濾波電感L1=2 mH，濾波電容C=50 μF，導(dǎo)線參數(shù)：R=0.2 Ω，L2=0.2 mH；VSG2仿真參數(shù)：J=6，D=9，調(diào)頻系數(shù)Kp=5 000，無功調(diào)壓系數(shù)Dq=0.06，虛擬阻抗為Lvir2=10 mH，濾波電感L1=4 mH，導(dǎo)線參數(shù)：R=0.4 Ω，L2=0.4 mH。

仿真階段：VSG1帶載啟動(dòng)，0.8 s啟動(dòng)VSG2，在1 s時(shí)投入帶10 kW+8 Var的本地負(fù)載，1.5 s投入阻感，并聯(lián)同步使能，3～3.5 s并入電網(wǎng)，整個(gè)運(yùn)行時(shí)間為4.5 s，在整個(gè)階段，兩臺(tái)虛擬同步發(fā)電機(jī)的輸出有功功率和無功功率如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知，引入勵(lì)磁器后，基于VSG虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制策略，很好地保證并聯(lián)組網(wǎng)模式下并網(wǎng)逆變器對(duì)功率的跟蹤，離網(wǎng)運(yùn)行模式下滿足本地負(fù)載的需求，在離/并網(wǎng)模式切換下系統(tǒng)具有和SG一樣的外特性。從圖中看到VSG1和VSG2輸出的有功功率之比和無功功率之比均為2:1，滿足上文中的仿真參數(shù)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了本文提出的功率分配策略，實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)不同容量VSG在并聯(lián)組網(wǎng)下按照額定容量比進(jìn)行功率分配。

圖6和圖7給出了虛擬同步發(fā)電機(jī)電流波形，3～3.5 s為并網(wǎng)時(shí)間，電流出現(xiàn)變化，但又迅速穩(wěn)定下來，整個(gè)階段，電流波形變化在所提策略設(shè)想內(nèi)，運(yùn)行良好。圖7也是離/并網(wǎng)切換時(shí)電流波形變化情況,在切換過程中電流波形平滑穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)沖擊電流或者明顯波動(dòng)。

圖8給出的是虛擬同步發(fā)電機(jī)電壓波形，圖中給出的是1 s～3 s時(shí)間段，在離網(wǎng)運(yùn)行模式，預(yù)同步階段，離/并網(wǎng)模式下，虛擬同步發(fā)電機(jī)端電壓幅值一直保持在311 V左右，說明本文所提策略可以很好地控制其輸出電壓，圖9給出了微電網(wǎng)頻率變化曲線，在1 s投入本地負(fù)載時(shí)，頻率有微小波動(dòng)，但很快又趨于平穩(wěn)；在1.5 s時(shí)，無縫切換過程中VSG和微電網(wǎng)的頻率加大，微電網(wǎng)電壓要追趕電網(wǎng)電壓，促使微電網(wǎng)頻率迅速降低后，又在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，在并網(wǎng)階段，頻率保持不變，波形保持完好。圖10給出在1.5 s時(shí)的微電網(wǎng)電壓追趕電網(wǎng)電壓波形變化情況，大約在1.63 s實(shí)現(xiàn)同步，預(yù)同步響應(yīng)快速。

4 結(jié)論

本文基于現(xiàn)有VSG虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制策略，引入勵(lì)磁控制器，考慮了實(shí)際導(dǎo)線參數(shù)，提出一種多VSG并聯(lián)組網(wǎng)下的功率分配策略，通過搭建兩臺(tái)不同容量的VSG并聯(lián)系統(tǒng)仿真模型，實(shí)現(xiàn)了VSG在并網(wǎng)下按照額定容量比進(jìn)行功率分配。通過仿真分析和驗(yàn)證，多VSG并聯(lián)下的功率分配策略可以實(shí)現(xiàn)離/并網(wǎng)運(yùn)行模式的無縫平滑切換，對(duì)示范工程建設(shè)有一定借鑒意義。