白 薇,劉立群,張聰明,馬立群

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

虛擬同步發(fā)電機(jī)的無(wú)縫切換控制技術(shù)

白 薇,劉立群,張聰明,馬立群

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

對(duì)微電網(wǎng)中并網(wǎng)逆變器的虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)控制策略進(jìn)行了研究。首先，搭建了VSG控制的功頻調(diào)節(jié)部分和勵(lì)磁調(diào)節(jié)部分。VSG通過(guò)模擬同步發(fā)電機(jī)的慣性和阻尼特性，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)和離網(wǎng)的獨(dú)立運(yùn)行，但是在并離網(wǎng)切換時(shí)容易出現(xiàn)電流和電壓沖擊。為實(shí)現(xiàn)并離網(wǎng)的平滑切換，提出了一種離網(wǎng)模式下恒壓/恒頻控制、并網(wǎng)模式下VSG控制的控制策略。在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，恒壓/恒頻控制模式為負(fù)載提供電壓和頻率的支撐；在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由VSG控制模式提供。同時(shí)，詳細(xì)地分析了調(diào)差系數(shù)、阻尼系數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)功頻特性的影響。最后，利用Matlab/Simulink搭建仿真模型，驗(yàn)證該控制策略的有效性。仿真結(jié)果表明：該控制策略解決了微電網(wǎng)在不同模式之間的無(wú)縫切換問(wèn)題；與傳統(tǒng)的切換過(guò)程相比，減小了切換過(guò)程中的電壓和電流沖擊，提高了微電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性，可以應(yīng)用于多微源并聯(lián)的微電網(wǎng)。

微電網(wǎng)； 并網(wǎng)逆變器； 無(wú)縫切換； 虛擬同步發(fā)電機(jī)； 調(diào)頻調(diào)壓； 功頻特性； 預(yù)同步； 勵(lì)磁特性

0 引言

近年來(lái)，隨著能源短缺、全球變暖和化石能源污染等問(wèn)題的日益嚴(yán)重，可再生能源的利用已成為全球研究熱點(diǎn)。分布式發(fā)電以其靈活性、清潔性和普遍性的特點(diǎn)，已成為頗具前景的微電源之一。但是當(dāng)其大規(guī)模接入電網(wǎng)時(shí)，也帶來(lái)了許多新的問(wèn)題[1-2]，如不易控制、隨機(jī)性波動(dòng)性較大等，進(jìn)而會(huì)威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了解決上述問(wèn)題，眾多學(xué)者對(duì)逆變器的控制策略進(jìn)行了深入的研究，并提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)(virtual synchronous generator，VSG)控制方法[3-5]。該控制方法具有同步發(fā)電機(jī)的外特性，為穩(wěn)定性較差的微電網(wǎng)提供了必要的慣性和阻尼作用[6-7]。

本文研究了虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)的數(shù)學(xué)模型、有功頻率和無(wú)功電壓的控制策略。針對(duì)虛擬同步發(fā)電機(jī)的并離網(wǎng)切換問(wèn)題，提出了一種新的逆變器控制方法，避免了切換過(guò)程中的電流沖擊。通過(guò)搭建Matlab仿真模型，驗(yàn)證了所提控制策略的正確性。該研究為微電網(wǎng)的運(yùn)行控制提供了一條新的途徑。

1 VSG控制

1.1 VSG控制逆變器主電路

VSG控制逆變器主電路采用了同步發(fā)電機(jī)的二階方程：

(1)

分布式電源一般經(jīng)過(guò)逆變器接到微電網(wǎng)中，本文設(shè)計(jì)的VSG控制的逆變器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。逆變器采用三相電壓源型逆變器，開(kāi)關(guān)器件采用絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)，濾波電路采用電感電容濾波?？紤]到當(dāng)并網(wǎng)系統(tǒng)線(xiàn)路較短時(shí)，可忽略線(xiàn)路的影響，故逆變器經(jīng)過(guò)濾波電路直接接負(fù)載或電網(wǎng)。

圖1 VSG控制逆變器主電路圖

1.2 有功頻率控制策略

VSG的功頻調(diào)節(jié)電路由原動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)加轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 功頻調(diào)節(jié)電路圖

原動(dòng)機(jī)的方程為：

(ω0-ω)Kw+Pref=Pm

(2)

同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：

(3)

(4)

式中：ω0為角頻率的參考值；ω為公共母線(xiàn)的角頻率；Kw為有功功率的下垂系數(shù)；Pref為有功功率的輸入設(shè)定值；Pm為逆變電源的輸入功率；P為逆變電源的輸出功率；D為阻尼系數(shù)；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωN為額定轉(zhuǎn)子角速度。

由式(2)～式(4)可得有功頻率調(diào)節(jié)控制框圖，如圖3所示。

圖3 有功頻率調(diào)節(jié)控制框圖

由上述分析可見(jiàn)，VSG的功頻調(diào)節(jié)關(guān)系滿(mǎn)足下垂特性。當(dāng)負(fù)荷變化導(dǎo)致系統(tǒng)頻率改變時(shí)，VSG自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入功率，從而保證系統(tǒng)的有功和頻率穩(wěn)定。

1.3 無(wú)功電壓控制策略

無(wú)功電壓控制是同步發(fā)電機(jī)的主要部分，它可以使系統(tǒng)電壓保持在一定的水平，并確保多個(gè)發(fā)電機(jī)并聯(lián)的無(wú)功功率分配均衡，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓幅值Um與參考電壓Uref相比較后得到電壓偏差，經(jīng)比例積分(proportion integration,PI)控制器調(diào)節(jié)后供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組。Um在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)與系統(tǒng)的母線(xiàn)電壓一致。Uref是一個(gè)與無(wú)功功率Q有關(guān)的量，隨著Q的增加而減小。

Uref=UN+Kv(Qref-Q)

(5)

式中：Qref為無(wú)功功率的輸出設(shè)定值；Kv為無(wú)功功率的下垂系數(shù)；UN為逆變電源端電壓參考值。

PI調(diào)節(jié)用來(lái)保證輸出電壓穩(wěn)定。由式(5)得到勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制框圖，如圖4所示。

圖4 勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制框圖

由圖4可見(jiàn)，VSG的無(wú)功電壓滿(mǎn)足下垂特性。VSG的無(wú)功電壓控制通過(guò)改變Kv調(diào)節(jié)下垂特性，并參與電網(wǎng)的一次調(diào)壓，以提供必要的無(wú)功支撐。

2 微電網(wǎng)無(wú)縫切換的實(shí)現(xiàn)

并網(wǎng)和離網(wǎng)是微電網(wǎng)的兩種運(yùn)行模式。為研究微電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，需研究逆變器的并網(wǎng)、離網(wǎng)運(yùn)行方式，以及這兩種運(yùn)行方式的無(wú)縫切換技術(shù)。當(dāng)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，大電網(wǎng)給系統(tǒng)的微源提供電壓和頻率支撐，逆變器可以采用恒功率控制；當(dāng)轉(zhuǎn)入離網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，則需要微源提供電壓和頻率的支撐，逆變器可以采用恒壓/恒頻控制。并網(wǎng)逆變器需滿(mǎn)足這兩種模式的切換要求。但在切換時(shí)，易出現(xiàn)電流或電壓沖擊。針對(duì)這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[10]提出了多種解決方法。

恒壓/恒頻控制過(guò)程中缺乏慣性和阻尼特性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)功率階躍以及并離網(wǎng)的無(wú)縫切換切換。由前文分析可知，VSG模擬了同步發(fā)電機(jī)的慣性和阻尼特性，可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)、離網(wǎng)的獨(dú)立運(yùn)行。所以，當(dāng)大電網(wǎng)斷開(kāi)后，可以實(shí)現(xiàn)并離網(wǎng)的平滑切換。本文研究的是離網(wǎng)模式下的恒壓/恒頻控制，以及并網(wǎng)模式下VSG控制。

2.1 離網(wǎng)向并網(wǎng)切換

當(dāng)微電網(wǎng)由離網(wǎng)向并網(wǎng)切換時(shí)，VSG輸出的電壓頻率與電網(wǎng)的電壓頻率有一定的偏差。在不合適的時(shí)候?qū)⑽㈦娋W(wǎng)投入到電網(wǎng)中，可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊電流，使微電網(wǎng)切換失敗。VSG離并網(wǎng)模型如圖5所示。

圖5 VSG離并網(wǎng)模型示意圖

如果使電網(wǎng)電壓和VSG輸出電壓相同，就可以實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)向并網(wǎng)的無(wú)縫切換。以下將討論離并網(wǎng)的切換過(guò)程。

以a相為例，兩電壓的瞬時(shí)值差為：

(6)

(7)

(8)

由式(6)～式(8)可知，離網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)和大電網(wǎng)電壓存在幅值和相位的偏差，最大的差值為2U。故在電壓大小和相位不同步的情況下，將微電網(wǎng)投入到電網(wǎng)中，會(huì)產(chǎn)生較大的并網(wǎng)沖擊電流，使得切換失??；即使切換成功，也會(huì)造成電壓波形畸變，降低電能質(zhì)量。因此，需選擇一種穩(wěn)定的切換方式。本文在文獻(xiàn)[11]的基礎(chǔ)上，提出了一種更好的切換策略，即預(yù)同步控制。

虛擬同步機(jī)并網(wǎng)前，需要將預(yù)同步單元與電網(wǎng)同步。由式(7)可知：當(dāng)VSG輸出的電壓U和電網(wǎng)電壓U0的幅值相位都相等時(shí)，得PS=0。由此可得預(yù)同步控制框圖，如圖6所示。并網(wǎng)前，閉合開(kāi)關(guān)并啟動(dòng)預(yù)同步；并網(wǎng)后，關(guān)閉預(yù)同步并斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。由此，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)運(yùn)行。

圖6 預(yù)同步控制框圖

2.2 并網(wǎng)向離網(wǎng)切換

微電網(wǎng)由并網(wǎng)向離網(wǎng)切換時(shí)，為保證不對(duì)負(fù)荷和電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊電流，需要使逆變器和電網(wǎng)之間不存在功率交換，這樣線(xiàn)路中就不會(huì)有電流通過(guò)了。由上文分析可知，虛擬同步機(jī)模擬了同步發(fā)電機(jī)的特性，可以將其等效成一個(gè)獨(dú)立的電壓源。當(dāng)電網(wǎng)切斷后，虛擬同步機(jī)仍然能保持并網(wǎng)時(shí)的狀態(tài)，并提供電壓和相位支撐，使微電網(wǎng)在并離網(wǎng)切換時(shí)不會(huì)出現(xiàn)明顯的暫態(tài)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)自然的平滑切換。由于VSG具有一次、二次調(diào)頻、調(diào)壓的特點(diǎn)，它可以不斷地修正有功功率和無(wú)功功率，直到新發(fā)電機(jī)的電壓和相位平衡，滿(mǎn)足了微電網(wǎng)內(nèi)有功、無(wú)功的交換平衡。

3 仿真結(jié)果和分析

為驗(yàn)證本文策略的正確性，通過(guò)Matlab/Simulink搭建了虛擬同步機(jī)控制的微電網(wǎng)仿真模型。Matlab仿真模型的主要參數(shù)為：直流側(cè)電壓Udc=800 V，濾波電容C=50 μF，濾波電感L=0.002 H，電阻R=0.01 Ω，ω0=314 rad/s，基準(zhǔn)電壓U=311 V，Kw=300，阻尼系數(shù)D=4，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.1，Pref=20 kW。

3.1 離網(wǎng)過(guò)程分析

在離網(wǎng)模型運(yùn)行時(shí)，逆變器采用恒壓/恒頻控制。當(dāng)閉合開(kāi)關(guān)，給虛擬同步機(jī)加入阻感負(fù)載時(shí)，電壓和頻率保持不變，運(yùn)行于恒壓/恒頻模式。離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電壓和電流波形如圖7所示。由圖7可知，離網(wǎng)過(guò)程中，電壓和電流沒(méi)有明顯的波動(dòng)。

圖7 離網(wǎng)電壓和電流波形

3.2 離并網(wǎng)切換

在離并網(wǎng)切換時(shí)，電壓波形對(duì)比如圖8所示。由圖8可知，經(jīng)過(guò)緩慢調(diào)節(jié)使得VSG輸出的電壓幅值相位與大電網(wǎng)的電壓相差足夠小，加入預(yù)同步約0.2 s后，可以快速地實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)和電網(wǎng)電壓的同步，完成離并網(wǎng)的切換。

圖8 電壓波形對(duì)比圖(離并網(wǎng))

離并網(wǎng)切換時(shí)，電流波形對(duì)比如圖9所示。傳統(tǒng)的離并網(wǎng)切換過(guò)程容易產(chǎn)生很大的沖擊電流，在0.8 s并網(wǎng)時(shí)會(huì)有諧波產(chǎn)生，如圖9(a)所示。其在并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生的沖擊電流是正常運(yùn)行時(shí)的2.8倍，會(huì)對(duì)電網(wǎng)以及逆變器造成較大的危害，嚴(yán)重影響了負(fù)荷的正常工作。本文使用預(yù)同步控制實(shí)現(xiàn)了電流的平滑切換，改進(jìn)后的電流波形如圖9(b)所示。該方法減少了沖擊電流，并且在切換過(guò)程中的電流變化量小于5%，改善了切換效果，使切換順利進(jìn)行。本文提出的改進(jìn)策略，切換前VSG輸出電壓已與電網(wǎng)電壓保持同步，且切換過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)電流沖擊，因此能迅速跟蹤功率指令。

圖9 電流波形對(duì)比圖(離并網(wǎng))

3.3 并網(wǎng)過(guò)程分析

在并網(wǎng)模式運(yùn)行時(shí)，逆變器采用VSG控制。當(dāng)微電網(wǎng)有功、無(wú)功階躍時(shí)，VSG具有良好的動(dòng)態(tài)性能。突加有功功率時(shí)，VSG的頻率會(huì)突增。這是因?yàn)樗M了同步發(fā)電機(jī)，通過(guò)改變轉(zhuǎn)速功角，向電網(wǎng)發(fā)送有功功率。

不同參數(shù)下的有功功率階躍響應(yīng)波形如圖10所示。

圖10 有功功率階躍響應(yīng)波形

由圖10可知，調(diào)差系數(shù)Kw越大，系統(tǒng)超調(diào)量越小，調(diào)節(jié)時(shí)間越短；阻尼系數(shù)D越大，系統(tǒng)超調(diào)量越小，調(diào)節(jié)時(shí)間越短；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J越小，系統(tǒng)超調(diào)量越小，調(diào)節(jié)時(shí)間越短。故D越大，J越小，Kw越小，系統(tǒng)越穩(wěn)定。

3.4 并離網(wǎng)切換

并離網(wǎng)切換時(shí)，為保證微電網(wǎng)的離網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，VSG參與了微電網(wǎng)的電壓和頻率調(diào)節(jié)，電壓波形對(duì)比如圖11所示。由圖11可以看出，VSG輸出的電壓幅值相位與大電網(wǎng)的電壓差逐漸變大。在并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)瞬間，電流沒(méi)有突變，說(shuō)明切換成功。

圖11 電壓波形對(duì)比圖(并離網(wǎng))

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于微電網(wǎng)的虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，研究了并離網(wǎng)切換的控制策略，解決了微電網(wǎng)在不同模式之間的無(wú)縫切換問(wèn)題。所研究的并網(wǎng)逆變器模擬了同步發(fā)電機(jī)的慣性和阻尼特性，提高了微電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。針對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行特性，提出了一種并離網(wǎng)之間的切換方法，實(shí)現(xiàn)了頻壓控制和VSG控制之間的切換。在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電壓頻率控制模式為負(fù)載提供電壓和頻率的支撐；在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，改由VSG控制模式提供，避免了切換過(guò)程中的電壓和電流沖擊。由于每個(gè)逆變器都可以獨(dú)立地運(yùn)行，并且控制簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，通過(guò)搭建Matlab/Simulink仿真模型，驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。該控制策略可推廣到多臺(tái)微電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行中，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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SeamlessSwitchingControlTechnologyofVirtualSynchronousGenerator

BAI Wei，LIU Liqun，ZHANG Congming，MA Liqun

(School of Electronic Information Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024，China)

The strategy of virtual synchronous generator(VSG) control for grid connected inverters in microgrid is studied.Firstly,the power frequency regulation section and the excitation regulation section of VSG control have been built.VSG simulates the inertia and damping characteristics of synchronous generator,which can realize the independent operation of grid connected and grid disconnected.But,during switching process of grid connected and disconnected,voltage and current shocks may occur.In order to realize smooth switching,a control strategy of constant voltage and constant frequency control in the off-network mode and VSG control in grid connected mode is proposed.In grid disconnected operation,constant frequency and constant voltage control provides the voltage and frequency support for the load.In grid connected operation,these are supplied by the VSG control mode.Then,the influences of the adjustment coefficient,the damping coefficient and the moment of inertia on the power frequency characteristics are analyzed.Finally,the effectiveness of the proposed control strategy is verified by a simulation model based on Matlab/Simulink.The simulation results show that the control strategy solves the seamless switching between different operation modes of microgrid;compared with the traditional switching process,the voltage and current shocks in switching process are reduced and the stability of the micro grid in the operation process is improved; it can be used in micro grid which consists of multiple micro sources in parallel.

Micro grid; Grid connected inverter; Seamless switching; Virtual synchronous generator; Frequency modulation and voltage regulation; Power frequency characteristic; Presynchronization; Excitation characteristic

修改稿收到日期:2017-07-08

山西省應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(201601D011058)、山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題基金資助項(xiàng)目(MEI201603)

白薇(1991—)，女，在讀碩士研究生，主要從事現(xiàn)代電力電子與新能源發(fā)電技術(shù)的研究，E-mail:baiwakk@163.com；劉立群(通信作者)，男，博士，教授，主要從事新能源發(fā)電系統(tǒng)控制、新能源混合供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化、智能電網(wǎng)等方向的研究，

E-mail:llqd2004@163.com

TH-39;TP24

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712004