朱更輝， 陳國(guó)振， 韓耀飛(河南城建學(xué)院 電氣與控制工程學(xué)院， 河南 平頂山 467000)

基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏并網(wǎng)逆變器控制策略*

朱更輝， 陳國(guó)振， 韓耀飛
(河南城建學(xué)院 電氣與控制工程學(xué)院， 河南 平頂山 467000)

針對(duì)采用常規(guī)恒功率控制方式下的光伏并網(wǎng)逆變器缺乏電壓和頻率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力的問題，提出一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)的光伏并網(wǎng)逆變器控制策略.根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的原理，建立同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)等效電路和矢量關(guān)系表達(dá)式，設(shè)計(jì)了有功頻率控制算法和無功電壓控制算法，搭建了虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略下的光伏發(fā)電系統(tǒng).在Matlab/simulink環(huán)境中建立了10 kW的光伏并網(wǎng)系統(tǒng).仿真結(jié)果表明，基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏并網(wǎng)逆變器具有與同步發(fā)電機(jī)相似的調(diào)頻調(diào)壓特性，能夠較好地適應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行要求.

光伏逆變器； 虛擬同步發(fā)電機(jī)； 等效電路； 矢量關(guān)系； 有功頻率； 無功電壓； 調(diào)頻； 調(diào)壓

隨著能源危機(jī)的不斷加劇，以太陽(yáng)能和風(fēng)能為代表的可再生能源得到了越來越廣泛的關(guān)注，其中太陽(yáng)能因具有綠色環(huán)保、資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，成為了新能源發(fā)電的一種重要利用形式.然而，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)火電機(jī)組發(fā)電相比具有較大的差異，光伏逆變器是由大量電力電子元件組成，雖然具有較快的響應(yīng)速度和靈活的調(diào)節(jié)能力，但缺乏發(fā)電機(jī)組的固有慣性環(huán)節(jié)，其大規(guī)模接納會(huì)帶來很多問題，輸出功率的隨機(jī)波動(dòng)會(huì)引起電壓頻率的不穩(wěn)定，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起大規(guī)模光伏發(fā)電的連鎖脫網(wǎng)，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來較大的隱患[1-2].

針對(duì)如何提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓頻率調(diào)節(jié)性能以增強(qiáng)電網(wǎng)對(duì)其接納能力的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛研究.文獻(xiàn)[3]提出一種基于最小階觀測(cè)器的頻率控制策略，該策略可自動(dòng)分擔(dān)負(fù)荷以達(dá)到同步發(fā)電機(jī)慣性的目的，但會(huì)引起復(fù)雜的電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性；文獻(xiàn)[4-5]提出了一種無功功率閉環(huán)控制策略，在很大程度上避免了無功環(huán)路引起的功率振蕩問題，但同時(shí)也存在復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性的問題；文獻(xiàn)[6-7]根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的功率分?jǐn)偺匦?，提出了有功頻率和無功電壓的下垂控制策略，使并網(wǎng)逆變器無需通信即可實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)，但是該策略沒有考慮轉(zhuǎn)子慣性的特性，不具備發(fā)電機(jī)慣性和阻尼特性.為完全模擬同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，虛擬同步發(fā)電機(jī)(virtual synchronous generator，VSG)的基本概念被提出[8-9]，其基本思想是根據(jù)同步發(fā)電機(jī)基本控制理論，將逆變器的控制策略加以改進(jìn)，使其可模擬同步發(fā)電機(jī)的輸出調(diào)節(jié)特性.

本文根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程和磁鏈方程來設(shè)計(jì)改進(jìn)光伏并網(wǎng)逆變器的控制環(huán)路，使其具備主動(dòng)調(diào)頻調(diào)壓能力，以模擬同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻和勵(lì)磁調(diào)壓特性.在Matlab/simulink環(huán)境中建立基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，驗(yàn)證了控制策略的有效性.

1 同步發(fā)電機(jī)原理

首先分析同步發(fā)電機(jī)的矢量關(guān)系，其并網(wǎng)等效電路及電壓電流向量關(guān)系如圖1和圖2所示.圖1中Us為同步發(fā)電機(jī)的等效內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)，R、L分別為同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)等效電阻及電感，Ug為并網(wǎng)電壓，Ig為同步發(fā)電機(jī)輸出電流.圖2中φ為同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的相位角，X為電抗，同時(shí)假設(shè)電網(wǎng)電壓方向與d軸同方向，q軸與d軸垂直.

圖1 同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)等效電路Fig.1 Grid-connected equivalent circuit of synchronous generator

圖2 同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)矢量關(guān)系圖Fig.2 Grid-connected vector relation of synchronous generator

將電壓和電流信號(hào)分別分解到dq軸上，可以求出并網(wǎng)輸出電流在dq軸上的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式中：Y為導(dǎo)納矩陣；Usd、Usq為同步發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)的直軸分量；Ugd、Ugq為電網(wǎng)電壓的直軸分量.相應(yīng)表達(dá)式分別為

(2)

(3)

相位角φ可表示為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度ω與電網(wǎng)系統(tǒng)角速度ωg差的積分，即

(4)

在實(shí)際同步機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子的角速度ω一般是由調(diào)速器決定的，與有功和角頻率有關(guān)；而內(nèi)部的電動(dòng)勢(shì)一般是由勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)決定的，與無功和電壓有關(guān).因此，可根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程，將調(diào)速器一次調(diào)頻模型和勵(lì)磁調(diào)壓模型特性模擬到光伏逆變器的控制電路中，從而使光伏逆變器具有與同步發(fā)電機(jī)相一致的響應(yīng)特性.

2 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制算法

由上述分析可知，光伏并網(wǎng)逆變器在模擬同步發(fā)電機(jī)控制時(shí)，應(yīng)構(gòu)造有功頻率和無功電壓兩個(gè)控制器.其中，有功頻率控制器主要反應(yīng)的是同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械慣性以及阻尼特征，無功電壓控制器則模擬的是同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)特性.

2.1 有功頻率控制算法

在常規(guī)電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)具有一定的慣性，頻率不會(huì)發(fā)生突變，根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程[10]，在光伏并網(wǎng)逆變器控制電路中引入虛擬慣性控制來模擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程，其功率和頻率控制方程為

(5)

式中：H為虛擬慣量常數(shù)，與同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J相對(duì)應(yīng)[10]；Pi和Po為光伏逆變器的輸入和輸出功率；Kd為阻尼系數(shù).

(6)

式中：Pref為有功參考值；Dp為有功功率的下垂系數(shù).

根據(jù)式(5)和式(6)可求得光伏并網(wǎng)逆變器的調(diào)速器模型，其有功功率與頻率的傳遞函數(shù)為

(7)

有功功率與頻率控制框圖如圖3所示.

圖3 有功功率頻率控制原理框圖Fig.3 Principle diagram of active power-frequency control

由圖3可以看出，當(dāng)頻率發(fā)生微小波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可保持轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性，且可提供附加的功率以減小系統(tǒng)的頻率波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率支撐功能.阻尼模塊可使逆變器頻率與電網(wǎng)頻率保持一致.

2.2 無功電壓控制算法

采用相同的方法，根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)[10]，設(shè)計(jì)光伏并網(wǎng)逆變器的無功功率和電壓控制算法，結(jié)果如圖4所示.

圖4 無功功率電壓控制原理框圖Fig.4 Principle diagram of reactive power-voltage control

(8)

PI控制器控制無功功率的輸出大小，而延時(shí)環(huán)節(jié)則可防止無功波動(dòng)太快而帶來的不利影響，減小特定條件下的系統(tǒng)沖擊.

2.3 整體控制算法

基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏并網(wǎng)控制策略框圖如圖5所示.為了更好地研究光伏逆變器的VSG控制算法，忽略了儲(chǔ)能的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在慣性調(diào)節(jié)期間，可通過設(shè)置儲(chǔ)能的輸出來保證逆變器的輸出功率與輸入功率是不相等的.

圖5 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制框圖Fig.5 Control diagram of VSG

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略的有效性，在Matlab/simulink軟件上搭建了虛擬同步發(fā)電機(jī)控制下的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng).系統(tǒng)參數(shù)為：額定功率PN=10 kW，Ug=380 V，逆變器直流電壓Ud=800 V，直流側(cè)電容C=8 000 μF，逆變器濾波參數(shù)L1=4 mH，L2=0.5 mH，C0=15 μF，電阻R=0.01 Ω，開關(guān)頻率f=2 000 Hz，H=1/3 000，Dp=16.2，Dq=545.

電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)虛擬同步光伏逆變器并網(wǎng)仿真結(jié)果如圖6～8所示，1 s時(shí)有功指令由0 W增加至10 000 W，3 s時(shí)無功指令由0 Var增加至2 000 Var.從仿真結(jié)果可以看出，虛擬同步發(fā)電機(jī)能夠快速精確地跟蹤指令值，并維持在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài).

圖6 光伏并網(wǎng)逆變器輸出功率Fig.6 Output power of photovoltaic grid-connected inverter

圖7 光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓Fig.7 Output voltage of photovoltaic grid-connected inverter

圖8 光伏并網(wǎng)逆變器頻率Fig.8 Frequency of photovoltaic grid-connected inverter

電網(wǎng)電壓及頻率波動(dòng)時(shí)虛擬同步光伏逆變器并網(wǎng)仿真結(jié)果如圖9～10所示.

圖9 電網(wǎng)電壓跌落5%時(shí)的逆變器輸出功率Fig.9 Output power of inverter with grid voltage dropping by 5%

圖9為當(dāng)2 s時(shí)電網(wǎng)電壓跌落5%時(shí)的并網(wǎng)逆變器輸出有功功率和無功功率.由圖9可知，并網(wǎng)逆變器的輸出無功功率快速跟蹤電壓的變化，有功功率不變.圖10為當(dāng)2 s時(shí)電網(wǎng)頻率躍升0.2 Hz時(shí)并網(wǎng)逆變器輸出有功功率和無功功率.由圖10可知，并網(wǎng)逆變器的輸出有功功率快速跟蹤頻率的變化，無功功率不變.因此該系統(tǒng)具有同步發(fā)電機(jī)的暫態(tài)調(diào)節(jié)特性，其控制器能夠有效模擬同步機(jī)特性.

圖10 電網(wǎng)頻率上升0.2 Hz時(shí)的逆變器輸出功率Fig.10 Output power of inverter with grid frequency increasing by 0.2 Hz

4 結(jié) 論

本文分析了虛擬同步發(fā)電機(jī)的基本原理和并網(wǎng)等效矢量關(guān)系圖，根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的調(diào)速器和勵(lì)磁調(diào)壓特性，設(shè)計(jì)了光伏并網(wǎng)逆變器的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制算法，并在Matlab/simulink環(huán)境中搭建了仿真模型，對(duì)提出的控制算法進(jìn)行了驗(yàn)證.仿真結(jié)果表明，并網(wǎng)逆變器輸出電壓和頻率能夠通過無功電壓控制環(huán)和有功頻率控制環(huán)直接調(diào)節(jié)，結(jié)合同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程，使并網(wǎng)逆變器較好地模擬了同步發(fā)電機(jī)的慣性響應(yīng)能力.提出的控制策略能夠提高并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓頻率調(diào)節(jié)能力，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.

[1]陳煒，艾欣，吳濤，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響研究綜述 [J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33(2)：

26-32.

(CHEN Wei，AI Xin，WU Tao，et al.Influence of grid-connected photovoltaic system on power network [J].Electric Power Automation Equipment，2013，33(2)：26-32.)

[2]王湘明，張瑋瑋，王衛(wèi)鑫.并網(wǎng)逆變器功率和合成諧波阻抗聯(lián)合控制策略 [J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38(2)：127-132.

(WANG Xiang-ming，ZHANG Wei-wei，WANG Wei-xin.Combined control strategy of power and synthetic harmonic impedance for grid connected inverter [J].Journal of Shenyang University of Technology，2016，38(2)：127-132.)

[3]Tomonobu S，Manoj D，Atsushi Y，et al.A control method for small utility connected large PV system to reduce frequency deviation using a minimal-order observer [J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2009，24(2)：520-528.

[4]Toshinobu S，Yushi M，Toshifumi I.Reactive power control for load sharing with virtual synchronous gene-rator control [C]//IEEE Power Electronics and Motion Control Conference.Harbin，China，2012：846-853.

[5]Toshinobu S，Yushi M，Toshifumi I.Oscillation damping of a distributed generator using a virtual synchronous generator [J].IEEE Transactions on Power Delivery，2014，29(2)：668-676.

[6]姚駿，杜紅彪，周特，等.微網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的改進(jìn)下垂控制策略 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，39(4)：932-938.

(YAO Jun，DU Hong-biao，ZHOU Te，et al.Improved droop control strategy for inverters parallel operation in micro-grid [J].Power System Technology，2015，39(4)：932-938.)

[7]楊俊虎，韓肖清，曹增杰，等.基于逆變器下垂控制的微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能分析 [J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2012，6(4)：48-52.

(YANG Jun-hu，HAN Xiao-qing，CAO Zeng-jie，et al.Analysis on the dynamic performance of microgrid based on droop control of inverters [J].Southern Power System Technology，2012，6(4)：48-52.)

[8]鄭天文，陳來軍，陳天一，等.虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)及展望 [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39(21)：165-175.

(ZHENG Tian-wen，CHEN Lai-jun，CHEN Tian-yi，et al.Review and prospect of virtual synchronous gene-rator technologies [J].Automation of Electric Power System，2015，39(21)：165-175.)

[9]曾正，李輝，冉立.交流微電網(wǎng)逆變器控制策略述評(píng) [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016，40(9)：142-151.

(ZENG Zheng，LI Hui，RAN Li.Comparison on control strategies of inverters in AC microgrids [J].Automation of Electric Power System，2016，40(9)：142-151.)

[10]王曉東.電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)搖擺振蕩的非線性動(dòng)力學(xué)特性研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

(WANG Xiao-dong.Research on nonlinear dynamic characteristics of swing oscillation of synchronous generator in power system [D].Harbin：Harbin Institute of Technology，2015.)

(責(zé)任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

Control strategy of photovoltaic grid-connected inverter based on virtual synchronous generator

ZHU Geng-hui, CHEN Guo-zhen, HAN Yao-fei
(School of Electrical and Control Engineering, Henan University of Urban Construction, Pingdingshan 467000, China)

Aiming at the problem that the photovoltaic grid-connected inverter in conventional constant power control mode lacks the dynamic adjustment ability of voltage and frequency, a control strategy of photovoltaic grid-connected inverter based on virtual synchronous generator (VSG) was proposed. According to the principle of synchronous generator, the grid-connected equivalent circuit and vector relation expression of synchronous generator were established, the active frequency control algorithm and reactive voltage control algorithm were designed, and the photovoltaic power generation system based on the control strategy of VSG was established. The 10 kW photovoltaic grid-connected system was established in Matlab/simulink environment. The simulated results show that the photovoltaic grid-connected inverter based on VSG has the similar frequency and voltage regulation characteristics with the synchronous generator, and can well adapt the requirements of grid operation.

photovoltaic inverter; virtual synchronous generator; equivalent circuit; vector relation; active frequency; reactive voltage; frequency regulation; voltage regulation

2016-11-25.

河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(162102210098).

朱更輝(1979-)，男，河南郟縣人，講師，碩士，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.04.02

TM 615

A

1000-1646(2017)04-0366-05

*本文已于2017-06-21 21∶19在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170621.2119.010.html