楊 禎，蘇宏升

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州730070)

微電網(wǎng)是一種由分布式電源(DG)、儲(chǔ)能裝置、用電負(fù)荷等構(gòu)成的小型發(fā)電配電系統(tǒng)，主要分為獨(dú)立型微電網(wǎng)與并網(wǎng)型微電網(wǎng)2種類型，可實(shí)現(xiàn)自治管理與自我控制[1-2]。儲(chǔ)能作為微電網(wǎng)中非常重要的組成部分，能夠克服微電網(wǎng)慣性小和抗擾動(dòng)能力弱的問題，消減風(fēng)能和光伏等可再生能源發(fā)電的間歇性對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，視為大電網(wǎng)的“可控單元”[3]?；陔娏﹄娮幽孀兘涌诘腄G在電力系統(tǒng)中所占比例增長(zhǎng)較快，包括我國(guó)在內(nèi)的很多國(guó)家和地區(qū)均制定了各自的DG發(fā)展計(jì)劃[4-5]。與傳統(tǒng)能源大多通過同步發(fā)電機(jī)(SG)并入電網(wǎng)不同，更多的DG通過并網(wǎng)逆變器接入大電網(wǎng)，與傳統(tǒng)的SG相比，DG并網(wǎng)逆變器響應(yīng)迅速；但是，由于它屬于靜置設(shè)備，不能夠?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)行提供慣性和阻尼支撐，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)[6]，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)控制技術(shù)，模擬出與SG相類似的旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼特性的新型控制策略[7-11]，改善了含新能源電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

基于電力電子逆變接口的DG控制方法有傳統(tǒng)的下垂控制法，該方法存在頻率抵御負(fù)荷擾動(dòng)能力差的問題。文獻(xiàn)[12]中通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了傳統(tǒng)下垂控制算法[13]與VSG控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形，結(jié)果表明，VSG控制算法有效降低了系統(tǒng)的頻率偏差，能更好地提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[14]中利用SG的數(shù)學(xué)模型，采用頻率和電壓調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)逆變型DG的電流源型VSG(CVSG)控制，并研究有關(guān)鎖相環(huán)問題；但是，該控制算法在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)難以實(shí)現(xiàn)，因此，國(guó)內(nèi)外專家提出電壓源型VSG(VVSG) 控制技術(shù)[15-16]。文獻(xiàn)[17]中提出的電壓源型VSG控制算法模擬了SG的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性和一次調(diào)頻特性，可以使微電網(wǎng)運(yùn)行在并網(wǎng)和離網(wǎng)2種模式，且無需鎖相環(huán)即可工作于穩(wěn)定狀態(tài)，增強(qiáng)了VSG在DG中的適應(yīng)性，改善了整個(gè)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性；但是，由于一次調(diào)頻不能保證微電網(wǎng)運(yùn)行于離網(wǎng)模式下的電能質(zhì)量，因此，為了應(yīng)對(duì)微電網(wǎng)在離網(wǎng)運(yùn)行下發(fā)生較大負(fù)荷擾動(dòng)的情況，需要在VSG技術(shù)中采用二次調(diào)頻控制。

穩(wěn)定性問題作為VSG控制算法研究的主要對(duì)象，小信號(hào)模型及特征根軌跡是常用的分析方法?；诖?，文獻(xiàn)[18]中提出一種無頻差的有功頻率控制方法，消除了孤島模式下的頻率偏移，同時(shí)建立系統(tǒng)小信號(hào)模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。由于階數(shù)較高，因此分析較復(fù)雜。文獻(xiàn)[19]中推導(dǎo)出VSG的小信號(hào)模型，提出一種參數(shù)設(shè)計(jì)方法，但并未詳細(xì)分析各控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。文獻(xiàn)[20-21]中研究了在離網(wǎng)模式下微電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題，利用特征值分析法分析參數(shù)變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

本文中針對(duì)獨(dú)立微電網(wǎng)面臨的問題及以上文獻(xiàn)關(guān)于VSG控制研究的不足，提出一種改進(jìn)VSG的控制策略。在基于電力電子逆變接口的DG控制中引入SG的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程、有功調(diào)頻和無功調(diào)壓特性，通過改進(jìn)VSG的功頻控制器結(jié)構(gòu)，即在有功頻率控制環(huán)中用積分模塊代替下垂系數(shù)模塊，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)頻率的無差控制，減小系統(tǒng)頻率偏差，使頻率快速恢復(fù)。為了更好地跟蹤輸出電壓信號(hào)，在電壓電流環(huán)中采用準(zhǔn)比例諧振(QPR)控制。通過建立微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行的小信號(hào)模型，根據(jù)特征根軌跡的變化反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，分析動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。在MATLAB Simulink仿真軟件中搭建VSG模型，通過仿真對(duì)比分析，驗(yàn)證所提控制策略的有效性。

1 VSG控制策略

1.1 電路的拓?fù)?/h3>

基于VSG的逆變型DG整體控制框圖如圖1所示。主電路采用三相電壓源型逆變器，內(nèi)環(huán)采用QPR控制對(duì)電壓正弦波參考值E*進(jìn)行跟蹤，功率外環(huán)采用VSG控制。內(nèi)環(huán)電壓電流控制跟蹤給定參考電壓，將得到的調(diào)制波經(jīng)過正弦脈寬調(diào)制(SPWM)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變橋各開關(guān)管的關(guān)斷和導(dǎo)通，從而控制逆變型DG的輸出。

為了便于分析，假設(shè)極對(duì)數(shù)為1，VSG的電氣角速度與機(jī)械角速度相同，則VSG轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

式中：t為時(shí)間；Tm、Te、Td分別為VSG的機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩；Pm為VSG輸入的機(jī)械功率；Pe為輸出的電磁功率；J為虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；D為阻尼系數(shù)；ω為轉(zhuǎn)子角頻率；ω0為VSG額定角頻率；φ為逆變電源電壓的相角。VSG的電磁轉(zhuǎn)矩Te與電磁功率Pe的關(guān)系為

(2)

式中：ea、eb、ec為VSG的輸出電動(dòng)勢(shì)；ia、ib、ic為VSG的輸出電流。

1.2 頻率調(diào)節(jié)控制

傳統(tǒng)SG通過調(diào)速器的作用，根據(jù)系統(tǒng)頻率偏差對(duì)其輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子頻率的調(diào)節(jié)。將此原理應(yīng)用于分布式逆變電源的調(diào)頻控制中，使分布式逆變電源具備一定的調(diào)頻能力，僅一次調(diào)頻不能滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，且存在較大

Udc—直流母線電壓； S1—S6—開關(guān)管； R—濾波電感寄生電阻； L、C—濾波器的濾波電感和濾波電容值；Zline—線路阻抗；KM—靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)； Iiabc、Icabc、Igabc—濾波電感電流、濾波電容電流及流向公共連接點(diǎn)的三相電流； Ucabc—電容電壓； Pref、Qref—有功功率、無功功率設(shè)定值； P、Q—逆變器輸出的有功功率、無功功率瞬時(shí)值；E、φ —由VSG控制算法得到的電壓幅值和逆變電源電壓的相角；E*—由VSG控制算法得到的電壓正弦波參考值； ma、mb、mc—經(jīng)過電壓電流控制得到的三相調(diào)制波；iia、iib、iic—電感電流； iga、igb、igc—輸出電流； ica、icb、icc—電容電流；A、B、C—公共母線端; SPWM—正弦脈寬調(diào)制；QPR—準(zhǔn)比例諧振。圖1 虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)原理圖

的頻率偏移，本文中通過積分模塊代替下垂系數(shù)模塊，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立微電網(wǎng)的無差控制，能夠有效地解決頻率偏差大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的問題，提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。依據(jù)上述原理可得功頻控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Tm、Te、Td—虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩； Pm—VSG輸入的機(jī)械功率； Pe—輸出的電磁功率； J—虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； D—阻尼系數(shù)； ω—轉(zhuǎn)子角頻率； ω0—VSG額定角頻率； φ—逆變電源電壓的相角； Pref—有功功率設(shè)定值； Kf—調(diào)差系數(shù)； ω0—參考角頻率； k—積分系數(shù)； s—積分因子。圖2 改進(jìn)的虛擬功頻控制框圖

輸入有功功率指令的表達(dá)式為

(3)

式中：Pref為有功功率設(shè)定值； ΔP為有功功率偏差；Kf為調(diào)差系數(shù)；k為積分系數(shù)；s為積分因子。

通過此控制策略，分布式逆變器可實(shí)現(xiàn)SG的旋轉(zhuǎn)慣性和二次調(diào)頻功能。

由式(1)、(3)聯(lián)立，可以得到轉(zhuǎn)子角頻率的表達(dá)式為

(4)

式(4)為典型的二階系統(tǒng)，無阻尼自然振蕩角頻率ωn和阻尼比ζ分別為

(5)

由此可見，分布式逆變器通過式(1)模擬SG的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)慣量控制；通過式(3)、(4)模擬原動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)且實(shí)現(xiàn)二次調(diào)頻，減小頻率偏移量，當(dāng)系統(tǒng)頻率變化時(shí)，虛擬調(diào)速器可根據(jù)系統(tǒng)頻率偏差自動(dòng)調(diào)節(jié)逆變電源輸出的有功功率，對(duì)轉(zhuǎn)子頻率偏差進(jìn)行補(bǔ)償抑制，提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

1.3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制

VSG的無功電壓控制模擬了SG的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使逆變器的無功功率和輸出電壓之間的關(guān)系滿足下垂特性。在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，主要由微電網(wǎng)中的負(fù)載決定所輸出的無功功率，從而控制逆變器輸出的電壓值。由此，系統(tǒng)工作在離網(wǎng)模式下的勵(lì)磁控制框圖如圖3所示。

Qref—無功功率設(shè)定值； Q—無功功率瞬時(shí)值； E0—VSG的空載電動(dòng)勢(shì)； E—由VSG控制算法得到的電壓幅值；n—電壓下垂系數(shù)。圖3 虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)勵(lì)磁控制框圖

由圖3得到輸出電壓為

E=E0-(Qref-Q)n

，

(6)

式中：E為由VSG控制算法得到的電壓幅值；E0為空載電動(dòng)勢(shì)；Qref為無功功率設(shè)定值；Q為無功功率瞬時(shí)值；n為電壓下垂系數(shù)。

VSG的電壓向量為

(7)

1.4 電壓電流雙閉環(huán)控制

根據(jù)圖1，忽略濾波電感寄生電阻R，得到電壓源型三相橋式逆變電源的數(shù)學(xué)模型[22-23]為

(8)

式中：L為濾波器的濾波電感；Udc為直流母線電壓；m0為調(diào)制比；θ為移項(xiàng)角；Uan、Ubn、Ucn分別為a、b、c三相相電壓。

為了更好地跟蹤上層控制器的給定電壓值，要求電壓電流控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快。文獻(xiàn)[24]中在電壓外環(huán)控制中采用了比例積分(PI)控制。由于PI控制屬于一階控制器，適用于直流信號(hào)的調(diào)節(jié)，用其跟蹤正弦信號(hào)時(shí)，在一定程度上會(huì)造成電壓幅值和相位誤差，影響系統(tǒng)的控制效果，因此本文中采用了跟蹤效果更好的QPR控制。其傳遞函數(shù)GQPR(s)[25]為

(9)

式中：Kp為比例系數(shù)；Kr為諧振參數(shù)；ωc為截止頻率。

對(duì)于VSG，電流內(nèi)環(huán)反饋?zhàn)兞康倪x取不同會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及穩(wěn)定性能。輸出阻抗反映出負(fù)載電流擾動(dòng)時(shí)對(duì)輸出電壓的影響，輸出阻抗越小，抗擾性能越好。以下將對(duì)不同反饋?zhàn)兞康目箶_性進(jìn)行對(duì)比分析，圖4所示為基于電感電流反饋的VSG內(nèi)環(huán)電流控制框圖。

Kc—電流環(huán)控制器的比例系數(shù)； KPWM—逆變器等效增益，下標(biāo)PWM為脈寬調(diào)制； Ig—電流擾動(dòng)量； Ii—內(nèi)環(huán)控制輸出電感電流；電感電流反饋量; Ic—內(nèi)環(huán)控制輸出電容電流； Uc—內(nèi)環(huán)控制輸出電壓； Li—內(nèi)環(huán)控制的電感系數(shù)； Cc—內(nèi)環(huán)控制的電容系數(shù); s—積分因子。圖4 基于電感電流反饋結(jié)構(gòu)框圖

由圖4得到內(nèi)環(huán)電感電流輸出阻抗傳遞函數(shù)為

(10)

式中：Kc為電流環(huán)控制器的比例系數(shù)；KPWM為逆變器等效增益，下標(biāo)PWM為脈寬調(diào)制；Cc為內(nèi)環(huán)控制的電容系數(shù)。

圖5為基于電容電流反饋的VSG內(nèi)環(huán)電流控制框圖。

Kc—電流環(huán)控制器的比例系數(shù)； KPWM—逆變器等效增益，下標(biāo)PWM為脈寬調(diào)制；Ig—電流擾動(dòng)量；電容電流反饋量； Ii—內(nèi)環(huán)控制輸出電感電流； Ic—內(nèi)環(huán)控制輸出電容電流； Uc—內(nèi)環(huán)控制輸出電壓；Li—內(nèi)環(huán)控制的電感系數(shù)； Cc—內(nèi)環(huán)控制的電容系數(shù); s—積分因子。圖5 基于電容電流反饋結(jié)構(gòu)框圖

由圖5得到內(nèi)環(huán)電容電流輸出阻抗的傳遞函數(shù)為

(11)

基于電感電流、電容電流反饋?zhàn)兞康妮敵鲎杩诡l率特性對(duì)比如圖6所示。由圖可知，基于電容電流反饋的VSG內(nèi)環(huán)控制在低頻段處的輸出阻抗更小，因此基于電容電流反饋的控制具有更好的抗擾性能。

(a)幅頻波特圖(b)相頻波特圖圖6 基于電感電流、電容電流反饋的頻率特性

由此，本文中選用基于電容電流反饋的VSG內(nèi)環(huán)控制，其控制環(huán)路包含負(fù)載電流的擾動(dòng)，具有更好的抗擾動(dòng)性能。內(nèi)環(huán)電壓電流雙閉環(huán)控制框圖如圖7所示。

Uref—三相參考電壓瞬時(shí)值； KPWM—逆變器等效增益，下標(biāo)PWM為脈寬調(diào)制； Uc—電壓輸出值; Ii—內(nèi)環(huán)控制輸出電感電流； Ic—內(nèi)環(huán)控制輸出電容電流； Uc—內(nèi)環(huán)控制輸出電壓； Li—內(nèi)環(huán)控制的電感系數(shù)； Cc—內(nèi)環(huán)控制的電容系數(shù); s—積分因子； QPR—準(zhǔn)比例諧振。圖7 電壓電流控制框圖

電壓輸出值Uc的計(jì)算公式為

Uc(s)=G(s)Uref(s)-Zo(s)Ig(s),

(12)

其中

式中：G(s)為電壓增益；Zo(s)為輸出阻抗。

綜上所述，內(nèi)環(huán)電壓電流控制器結(jié)合QPR和電容電流反饋控制，對(duì)電壓的跟蹤性能更好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，同時(shí)具有更好的抗擾動(dòng)性。

2 VSG系統(tǒng)控制參數(shù)分析

2.1 離網(wǎng)模式的小信號(hào)模型

以下將建立VSG運(yùn)行于離網(wǎng)模式下的小信號(hào)模型，分析在離網(wǎng)模式下各參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。等效電路圖如圖8所示。

在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，將線路阻抗和負(fù)載阻抗合起來表示為Z=R+jX，其中Z為離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的阻抗，R

E∠φ—逆變電源輸出電壓； R1+jX1—線路阻抗；Zl—負(fù)載阻抗； ig—離網(wǎng)模式下的輸出電流。圖8 離網(wǎng)模式等效電路圖

為濾波電感寄生電阻，X為電抗，則離網(wǎng)模式下逆變電源輸出的視在功率為

S=P+jQ=

(13)

式(13)線性化為

(14)

(15)

式中：ΔQ為無功功率線性化值； ΔE為無功電壓線性化值； Δφ為相位角線性化值；Kpφ為有功功率對(duì)相位角的偏導(dǎo)；Kpe為有功功率對(duì)電壓的偏導(dǎo)；Kqφ為無功功率對(duì)相位角的偏導(dǎo)；Kqe為無功功率對(duì)電壓的偏導(dǎo)。

式(4)、(6)分別線性化為

(16)

令X=(Δω, Δφ, ΔE)T，根據(jù)式(14)、(15)、(16)，并結(jié)合sΔφ(s)=Δω(s)，可得VSG離網(wǎng)運(yùn)行的小信號(hào)模型為

(17)

2.2 離網(wǎng)模式的控制參數(shù)分析

依據(jù)李雅普諾夫理論，分析離網(wǎng)模式下主要控制參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，利用特征值分析法對(duì)式(17)進(jìn)行分析，根據(jù)特征值在復(fù)平面上的分布情況，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖9所示為虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J、阻尼系數(shù)D、調(diào)差系數(shù)Kf、積分系數(shù)k變化的特征根軌跡。圖9(a)所示為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J在0.1～10變化的根軌跡。由圖可以看出： 所有特征根均分布在虛軸左側(cè)，根據(jù)李雅普諾夫定理判斷系統(tǒng)是穩(wěn)定的； 其次, 依據(jù)控制理論原理，離虛軸更近的特征根是主導(dǎo)特征根，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大，因此旋轉(zhuǎn)慣量J的不斷增大，一對(duì)共軛特征根向虛軸靠近，超調(diào)越大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。圖9(b)、(c)為阻尼系數(shù)D和調(diào)差系數(shù)Kf變化的根軌跡曲線。由圖可以看到，隨著D和Kf的增大，系統(tǒng)極點(diǎn)遠(yuǎn)離虛軸，穩(wěn)定性增強(qiáng)。圖9(d)所示為系統(tǒng)隨k增大的根軌跡圖。從圖中可以看出，一對(duì)共軛復(fù)根始終在虛軸左側(cè)，說明系數(shù)k的引入不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響, 因此需根據(jù)系統(tǒng)容許的超調(diào)量和期望的響應(yīng)速度選擇合適的參數(shù)。

(a)D=30 N·m·s/rad，Kf=25，ω0=314 rad/s，k=1 000，J=0.1～10 kg·m2

(b)J=0.2 kg·m2，Kf=25，ω0=314 rad/s，k=1 000，D=10～50 N·m·s/rad

(c)J=0.2 kg·m2，D=30 N·m·s/rad，ω0=314 rad/s，k=1 000，Kf =15～35

(d)J=0.2 kg·m2，D=30 N·m·s/rad，Kf=25，ω0=314 rad/s，k=200～1 200J—虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； D—阻尼系數(shù)； Kf—調(diào)差系數(shù)； ω0—參考角頻率； k—積分系數(shù)。圖9 離網(wǎng)模式下參數(shù)變化的特征軌跡

3 仿真分析

為了驗(yàn)證本文中所提出的控制方法的有效性及相關(guān)參數(shù)分析的正確性，利用MATLAB Simulink軟件搭建如圖1所示的單機(jī)VSG的孤島微電網(wǎng)仿真模型，主電路參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

3.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)對(duì)頻率動(dòng)態(tài)特性的影響

初始時(shí)刻VSG承擔(dān)負(fù)載有6 kW穩(wěn)定運(yùn)行，0.5 s時(shí)負(fù)載增加。仿真結(jié)果如圖10所示。由圖10(a)可知，隨著J的不斷增加，無阻尼自然振蕩角頻率ωn和阻尼比ζ減小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，頻率偏差越小，但是達(dá)到額定頻率所需時(shí)間變長(zhǎng)，超調(diào)量增大，振蕩越劇烈。由圖10(b)可知，當(dāng)D增大時(shí)，頻率偏差量減小，但是頻率恢復(fù)穩(wěn)定值動(dòng)態(tài)響應(yīng)減慢，仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。由上述分析可知，在選擇合理參數(shù)時(shí)要綜合考慮超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度以及恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間等影響因素。

3.2 改進(jìn)的VSG控制策略輸出仿真波形

為了檢驗(yàn)負(fù)荷突變時(shí)，改進(jìn)VSG的動(dòng)態(tài)性能，VSG輸出電壓、電流波形及電壓快速傅里葉變換(FFT)分析如圖11所示。由圖可知，當(dāng)負(fù)荷突變時(shí)，VSG的輸出電壓始終保持穩(wěn)定狀態(tài)，正弦波良好且諧波失真率(THD)為3.30%，滿足負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的要求。輸出電流隨負(fù)荷變化而瞬時(shí)響應(yīng)，說明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能良好。

為了突出本文中所提控制策略的優(yōu)越性，對(duì)逆變型DG分別采用下垂控制、VSG一次調(diào)頻和改進(jìn)的VSG二次調(diào)頻控制進(jìn)行仿真驗(yàn)證。初始時(shí)刻，逆變型DG向6 kW的負(fù)載供電，其輸出的有功功率和無功功率均由負(fù)載決定，系統(tǒng)額定頻率為50 Hz，相電壓有效值為220 V。在0.5 s時(shí)刻系統(tǒng)有功負(fù)荷增加3 kW，無功功率不變，并在1 s時(shí)切出有功負(fù)荷, 1.5 s時(shí)仿真結(jié)束。圖12所示為3種控制方法的頻率波形和輸出有功波形。

(a) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J對(duì)頻率的影響(b)阻尼系數(shù)D對(duì)頻率的影響圖10 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與阻尼系數(shù)對(duì)頻率影響的仿真波形

(a)輸出電流波形

(b)輸出電壓波形

(c)電壓FFT波形圖11 虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)輸出電壓電流波形及快速傅里葉變換(FFT)分析結(jié)果

由圖12(a)可知，采用下垂控制時(shí)，頻率隨著負(fù)荷突變而快速變化，且波動(dòng)陡峭，逆變電源可根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)整自身輸出，維持頻率穩(wěn)定；但是，由于缺少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的作用，在負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)頻率快速跌落，偏離額定值較大，不能恢復(fù)到額定值，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，因此在負(fù)載擾動(dòng)頻繁的系統(tǒng)中，下垂控制策略難以維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。采用傳統(tǒng)的VSG一次調(diào)頻控制時(shí)，能夠提供慣性支撐，響應(yīng)較快，減小頻率的變化，可以保證微電網(wǎng)在離網(wǎng)模式下頻率穩(wěn)定；但是，在負(fù)載突變時(shí)，頻率不能快速恢復(fù)到穩(wěn)定值，系統(tǒng)存在頻率偏差，可能使微電網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出不穩(wěn)定，因此，一次調(diào)頻存在的頻率偏移不能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行要求。采用本文中提出的改進(jìn)的VSG控制策略，能夠有效抑制頻率偏差，且頻率響應(yīng)快，負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)頻率快速恢復(fù)到額定值，提高了獨(dú)立微電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。由圖12(b)可知，各控制策略對(duì)輸出有功曲線影響較小，改進(jìn)后的VSG輸出有功功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，調(diào)整時(shí)間短。

(a)頻率波形

(b)輸出有功波形圖12 不同控制方法的頻率波形和輸出有功波形

4 結(jié)論

本文中在目前VSG相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，提出一種離網(wǎng)模式下抑制系統(tǒng)頻率波動(dòng)的控制策略，增強(qiáng)VSG的調(diào)頻能力。通過MATLAB Simulink軟件進(jìn)行仿真分析，將改進(jìn)后的VSG控制策略與傳統(tǒng)下垂控制和一次調(diào)頻控制進(jìn)行對(duì)比，在負(fù)荷擾動(dòng)工況下，本文中所提出的控制策略頻率偏差更小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，改善了頻率調(diào)整的穩(wěn)定性。