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（VSG）控制算法能夠模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機的外特性，控制逆變器為大電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐，以及相應的慣性和阻尼特性，使得大電網(wǎng)的穩(wěn)定性得到提高?；诠聧u微電網(wǎng)下的VSG虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制策略，在外環(huán)中引入勵磁調(diào)節(jié)器，考慮實際導線參數(shù)，提出一種多VSG并聯(lián)組網(wǎng)下的功率分配策略，通過搭建兩臺不同容量的VSG并聯(lián)系統(tǒng)仿真模型，實現(xiàn)VSG在并網(wǎng)下按照額定容量比進行功率分配。經(jīng)過實驗驗證，多VSG并聯(lián)下的功率分配策略可以實現(xiàn)離/并網(wǎng)運行模式的無縫、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，對未來智慧城市的建設具有重要意義。

虛擬同步發(fā)電機(VSG)的外接口特性能夠與同步發(fā)電機(SG)相媲美，具備SG所固有的轉子慣性、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，在負荷變化過程中，維持頻率和電壓穩(wěn)定[1]。文獻[1]通過模擬同步發(fā)電機的預同步裝置，實現(xiàn)虛擬同步發(fā)電機并/離網(wǎng)無縫切換，并且給出了轉動慣量和阻尼系數(shù)的參數(shù)優(yōu)化方法，但沒有考慮實際參數(shù)的物理意義。文獻[2-3]按照SG的電磁暫態(tài)特性進行設計，主要考慮了有功調(diào)頻和無功調(diào)壓特性，保證了系統(tǒng)動態(tài)過程頻率和輸出電壓的穩(wěn)定性。文獻[4]對同步發(fā)電機轉子運動方程線性化處理，提出了阻尼參數(shù)和轉動慣量優(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，結合VSG控制框圖，首先詳細闡述了虛擬同步發(fā)電機各個控制部分的基本原理，其次以兩臺不同容量的VSG為例，提出并聯(lián)組網(wǎng)時的功率分配策略，通過搭建兩臺不同容量的VSG并聯(lián)系統(tǒng)仿真模型，實現(xiàn)VSG在并網(wǎng)下按照額定容量比進行功率分配。最后經(jīng)過驗證，多VSG并聯(lián)下的功率分配策略可以實現(xiàn)離/并網(wǎng)模式下的無縫平滑切換。

1 虛擬同步發(fā)電機控制策略

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

1.1 功頻調(diào)節(jié)器

由原動機方程和機械轉子方程共同組成功頻調(diào)節(jié)器，假設極對數(shù)為1，VSG的轉子運動方程如式(1)。

式中：ω為轉子角速度；ω0為空載轉子角速度；Tm為機械轉矩；Te為電磁轉矩；Pm、Pe分別為機械功率和電磁功率；D為虛擬阻尼系數(shù)；J為虛擬慣量。虛擬同步機的功頻調(diào)節(jié)器能夠在并網(wǎng)跟蹤的基礎上對頻率的偏差做出有功調(diào)節(jié)響應，有效提升多微源逆變器應對頻率異常事件情況，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，實際中同步發(fā)電機的輸出阻抗呈感性，故本文模擬同步發(fā)電機的外特性，VSG的電氣控制部分采用同步發(fā)電機的二階方程，為使VSG輸出阻抗呈感性，令r=0，如式(2)。

1.3 勵磁調(diào)節(jié)器

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

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無功值。

VSG無功調(diào)壓控制部分較好地模擬同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定電壓的特性，使得輸出電壓在一個合理值，能夠更好地實現(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，實現(xiàn)電壓和電流的獨立控制能夠簡化控制算法，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)的主要作用是實現(xiàn)電流的快速跟蹤控制，輸出SPWM波的調(diào)制電壓信號?？刂瓶驁D如圖1所示。

1.5 預同步控制原理

為減少電流沖擊的影響，虛擬同步發(fā)電機并入微網(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，為使Δω=0，必須切除并聯(lián)同步。此刻，VSG將和其他VSG共同承擔供電任務（注意VSG是空載并入逆變器的）。

總的來說，虛擬同步發(fā)電機控制的逆變器具有和傳統(tǒng)同步發(fā)電機一樣的外特性，在穩(wěn)定電壓和頻率的同時，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)時的功率分配策略

本文主要討論不同容量的兩臺VSG并聯(lián)組網(wǎng)時的功率分配，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VSG并聯(lián)示意圖，由于每臺VSG輸出有功功率和無功功率均受線路阻抗的影響，導致功率不能均分[5]。當輸出阻抗遠遠大于線路阻抗時，線路阻抗對其影響可忽略。

忽略線路阻抗時，每臺VSG機端輸出功率為：

要按照額定容量比進行有功功率分配，即需要：

3 仿真分析

如圖3所示，為兩臺VSG控制的兩電平逆變器帶LC濾波器組成的并聯(lián)結構圖，基于此框圖和結合圖1的VSG控制圖，在MATLAB/simulink平臺上搭建模型，對提出的分配策略進行驗證。

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，導線參數(shù)：R=0.4 Ω，L2=0.4 mH。

仿真階段：VSG1帶載啟動，0.8 s啟動VSG2，在1 s時投入帶10 kW+8 Var的本地負載，1.5 s投入阻感，并聯(lián)同步使能，3～3.5 s并入電網(wǎng)，整個運行時間為4.5 s，在整個階段，兩臺虛擬同步發(fā)電機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)逆變器對功率的跟蹤，離網(wǎng)運行模式下滿足本地負載的需求，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)設計，驗證了本文提出的功率分配策略，實現(xiàn)了兩臺不同容量VSG在并聯(lián)組網(wǎng)下按照額定容量比進行功率分配。

圖6和圖7給出了虛擬同步發(fā)電機電流波形，3～3.5 s為并網(wǎng)時間，電流出現(xiàn)變化，但又迅速穩(wěn)定下來，整個階段，電流波形變化在所提策略設想內(nèi)，運行良好。圖7也是離/并網(wǎng)切換時電流波形變化情況,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。

圖8給出的是虛擬同步發(fā)電機電壓波形，圖中給出的是1 s～3 s時間段，在離網(wǎng)運行模式，預同步階段，離/并網(wǎng)模式下，虛擬同步發(fā)電機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投入本地負載時，頻率有微小波動，但很快又趨于平穩(wěn)；在1.5 s時，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，又在短時間內(nèi)恢復，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實現(xiàn)同步，預同步響應快速。

4 結論

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