呂 聰，何 山,2*，王維慶,2，陳 偉，孔令清，尹昱程

(1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊，830047；2.新疆大學(xué) 可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊，830047)

分布式新能源通過電力電子器件并網(wǎng)，電力電子器件不具備慣性、阻尼，使系統(tǒng)整體的慣性、阻尼降低，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性.為解決此問題，研究人員提出虛擬同步發(fā)電機(jī)(virtual synchronous generator, 簡稱VSG)，將VSG的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)引入逆變器，通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)，為系統(tǒng)提供慣性和阻尼.

已有的VSG模型，多為分析小擾動下VSG的穩(wěn)定性.文獻(xiàn)[8]提出了小擾動下VSG的轉(zhuǎn)動慣量自適應(yīng)控制策略，以保證VSG的平衡性.文獻(xiàn)[9]在此基礎(chǔ)上考慮阻尼系數(shù)的選擇，提出基于VSG的轉(zhuǎn)動慣量及阻尼系數(shù)的協(xié)同自適應(yīng)控制策略.文獻(xiàn)[10]提出電壓不平衡下VSG的分序矢量控制方法，獨(dú)立控制正、負(fù)序分量，能快速抑制負(fù)序電流和功率振蕩.文獻(xiàn)[11]提出電網(wǎng)發(fā)生對稱故障時(shí)，通過有功指令調(diào)整功角大小，將功角控制在一定范圍內(nèi).小擾動下VSG的控制策略應(yīng)用在大擾動下可能增加系統(tǒng)諧波，影響電能質(zhì)量，因此有必要研究大擾動下VSG的暫態(tài)穩(wěn)定性及控制策略.

該文在大擾動下VSG轉(zhuǎn)動慣量及阻尼系數(shù)自適應(yīng)控制策略的基礎(chǔ)上，加入控制變量

K

，提出大擾動下改進(jìn)的VSG自適應(yīng)參數(shù)控制策略.該策略在出現(xiàn)大干擾后檢測VSG功角控制反饋，自適應(yīng)切換正、負(fù)反饋和選取轉(zhuǎn)動慣量、阻尼系數(shù).該策略不僅能有效抑制功率、頻率振蕩，還能避免VSG失去平衡.在Matlab/Simulink環(huán)境搭建系統(tǒng)仿真模型，在三相短路故障和兩相接地短路故障下驗(yàn)證所提策略的有效性.

1 VSG的基本控制策略

圖1為VSG并網(wǎng)后的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相關(guān)控制策略示意圖，其中：

U

為與分布式電源等效的直流電源；

U

,

I

分別為VSG的輸出電壓、電流；

U

,

I

分別為并網(wǎng)側(cè)的電壓、電流；

L

,

R

,

C

分別為濾波電感、濾波電感內(nèi)阻、濾波電容；

L

,

R

分別為傳輸線路的電感、電阻.VSG經(jīng)

LC

濾波電路和傳輸線連接至電網(wǎng).VSG控制策略主要包括有功-頻率控制、無功-電壓控制、電壓電流雙閉環(huán)控制、SVPWM調(diào)制.

圖1 VSG并網(wǎng)后的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相關(guān)控制策略示意圖

VSG的有功-頻率控制通過如下?lián)u擺方程實(shí)現(xiàn)

(1)

其中：

J

為虛擬轉(zhuǎn)動慣量；

D

為虛擬阻尼系數(shù)；

P

,

P

分別為VSG的參考有功功率、輸出有功功率；

ω

,

ω

分別為電網(wǎng)同步角速度、虛擬轉(zhuǎn)子角速度；

δ

為并網(wǎng)側(cè)電壓與VSG輸出電壓之間的夾角，即VSG的功角.

無功-電壓控制通過模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的調(diào)壓特性實(shí)現(xiàn)，其控制方程為

(2)

類比傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的電磁關(guān)系，可得VSG的電勢、輸出有功功率、輸出無功功率計(jì)算公式分別為

(3)

(4)

(5)

電壓電流雙閉環(huán)控制起穩(wěn)壓和提高動態(tài)穩(wěn)定性的作用.電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方程分別為

(6)

(7)

其中：

U

o,

U

o分別為VSG輸出電壓的

d

，

q

分量；

I

o,

I

o分別為VSG輸出電流的

d

，

q

分量；

U

ref,

U

ref分別為VSG輸出的內(nèi)電勢

d

，

q

分量；

K

,

K

為電壓外環(huán)PI控制參數(shù)；

K

,

K

為電流內(nèi)環(huán)PI控制參數(shù).

根據(jù)式(6)，(7)得到的電壓電流雙閉環(huán)控制框圖如圖2所示.

圖2 電壓電流雙閉環(huán)控制框圖

VSG通過模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的慣性和阻尼特性、有功-頻率控制、無功-電壓控制，形成VSG并網(wǎng)控制策略，以抑制功率波動及調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率.

2 大擾動下VSG的暫態(tài)穩(wěn)定性分析

圖3為VSG并網(wǎng)后的等效電路圖.以VSG線路上

H

點(diǎn)發(fā)生三相短路故障為例.VSG的功角特性曲線如圖4所示，其中

A

，

F

均為VSG運(yùn)行時(shí)的平衡點(diǎn).

圖3 VSG并網(wǎng)后的等效電路

圖4 VSG功角特性曲線

故障發(fā)生時(shí)，電網(wǎng)電壓的幅值會降低，需要在VSG控制中加入限幅環(huán)節(jié)，防止過大的電流損害VSG中的電力電子器件.限幅環(huán)節(jié)是否起作用，取決于電壓外環(huán)的輸出電流是否超過VSG允許的最大輸出電流

I

.若未超過，則限幅環(huán)節(jié)不起作用，電流在內(nèi)環(huán)的參考值不變；若超過，則限幅環(huán)節(jié)起作用，改變電流在內(nèi)環(huán)的參考值，避免過流導(dǎo)致電力電子器件損壞.限幅環(huán)節(jié)的控制方程為

(8)

(9)

其中：

I

為VSG輸出電流的限幅值.故障時(shí)VSG不能提供短路電流，限幅作用下等效為一個(gè)電流源，輸出電流為

I

.功角關(guān)系為

(10)

限幅作用下，VSG的運(yùn)行點(diǎn)從圖4電流非飽和曲線Ⅰ切換到電流飽和曲線Ⅱ.

VSG正常運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定在圖4的

A

點(diǎn)，當(dāng)

A

點(diǎn)發(fā)生三相短路故障時(shí)，功角特性曲線由Ⅰ變?yōu)棰?VSG的運(yùn)行點(diǎn)由

A

點(diǎn)移至

B

，VSG在

B

點(diǎn)的輸出功率

P

小于參考功率

P

,由式(1)可知d

ω

/d

t

>0,于是轉(zhuǎn)速

ω

增加、功角

δ

增大、VSG的運(yùn)行點(diǎn)則由

B

點(diǎn)移至

C

.假定

C

點(diǎn)故障消失，同理可知VSG的運(yùn)行點(diǎn)沿著曲線Ⅱ從

C

點(diǎn)移至

D

，于是轉(zhuǎn)速

ω

減小，但

ω

仍大于同步轉(zhuǎn)速

ω

,功角

δ

繼續(xù)增加，運(yùn)行點(diǎn)繼續(xù)由

D

點(diǎn)移至

E

.若轉(zhuǎn)速

ω

在VSG運(yùn)行到

E

點(diǎn)之前恢復(fù)至同步轉(zhuǎn)速

ω

,則VSG恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行；反之，轉(zhuǎn)速

ω

會繼續(xù)增加，將不會恢復(fù)至同步轉(zhuǎn)速

ω

,于是功角

δ

持續(xù)增大、VSG失去平衡.

3 改進(jìn)的VSG自適應(yīng)參數(shù)控制策略

VSG與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)相比，其參數(shù)可控、結(jié)構(gòu)靈活.為避免運(yùn)行狀態(tài)越過

E

點(diǎn)后出現(xiàn)失衡，該文提出一種改進(jìn)的VSG自適應(yīng)參數(shù)控制策略.基于圖4中VSG運(yùn)行狀態(tài)是否越過

E

點(diǎn)，設(shè)定兩種工作模式：一是VSG運(yùn)行狀態(tài)未越過

E

點(diǎn)，保持穩(wěn)定(負(fù)反饋模式)；二是VSG運(yùn)行狀態(tài)越過

E

點(diǎn)，失去平衡(正反饋模式).將控制變量

K

插入有功功率環(huán)路的正向路徑后，負(fù)反饋模式下

K

=1,正反饋模式下

K

=-1.VSG的功角特性可保證工作在負(fù)反饋模式下，只要故障后存在平衡點(diǎn)，就能保持VSG的暫態(tài)穩(wěn)定性，避免運(yùn)行狀態(tài)越過

E

點(diǎn)后出現(xiàn)失衡.故障下VSG的工作特性如表1所示，其中

ΔP

=

P

-

P

,

Δω

=

ω

-

ω

.

表1 故障下VSG的工作特性

電流未飽和時(shí)，其功角特性為圖4中的曲線Ⅰ，且有

J

=

J

,

K

=1；故障發(fā)生后，VSG的運(yùn)行狀態(tài)從電流未飽和曲線Ⅰ切換至電流飽和曲線Ⅱ，運(yùn)行于

BC

段，此時(shí)選擇合適的

J

,可抑制轉(zhuǎn)速

ω

的增加，且有

K

=1；故障切除后，運(yùn)行于

CD

，

DE

段，此時(shí)選擇合適的

J

,可使轉(zhuǎn)速

ω

減小，且有

K

=1.若VSG運(yùn)行越過

E

點(diǎn)，此時(shí)

K

=-1,工作模式變?yōu)樨?fù)反饋，d

ω

/d

t

<0,VSG的轉(zhuǎn)速

ω

開始變小，此時(shí)選擇合適的

J

,可使轉(zhuǎn)速

ω

減小，

ω

與

ω

的差距縮小使VSG在失衡狀態(tài)下工作.對阻尼系數(shù)

D

來說，電流未飽和時(shí)，取

D

=

D

；故障發(fā)生后的

BC

段與故障切除后的

CD

，

DE

段，以及運(yùn)行狀態(tài)越過

E

點(diǎn)后，均取

D

=

D

,這樣能減少暫態(tài)過程中頻率的超調(diào)量，以提高頻率的穩(wěn)定性.

J

，

D

控制策略如下

(11)

(12)

圖5為改進(jìn)的VSG自適應(yīng)參數(shù)控制框圖，其中虛線框的參數(shù)為自適應(yīng)控制的參數(shù).改進(jìn)的VSG自適應(yīng)算法流程如圖6所示.

圖5 改進(jìn)的VSG自適應(yīng)參數(shù)控制框圖

圖6 改進(jìn)的VSG自適應(yīng)算法流程

4 仿真分析

在Matlab/Simulink環(huán)境下，按圖1搭建單機(jī)VSG并網(wǎng)后的系統(tǒng)模型，驗(yàn)證所提控制策略的有效性.表2列出了仿真關(guān)鍵參數(shù).

表2 仿真關(guān)鍵參數(shù)

4.1 三相短路故障下VSG的仿真分析

VSG并網(wǎng)后的0.3 s前系統(tǒng)正常運(yùn)行；0.3 s時(shí)線路上

H

點(diǎn)發(fā)生三相短路故障，VSG的控制策略開始作用；0.31 s時(shí)故障被切除.圖7，8分別為3種控制策略下VSG輸出的電壓頻率、有功功率比較.由圖7可知，3種控制策略的VSG輸出的電壓頻率均有不同程度的超調(diào)量；與其他兩種控制策略相比，改進(jìn)的VSG自適應(yīng)參數(shù)控制策略的電壓頻率的超調(diào)量偏差最小，故障切除后電壓頻率的振蕩幅度最小、衰減速度最快，能快速恢復(fù)至穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài).由圖8可知，改進(jìn)的VSG自適應(yīng)參數(shù)控制策略的VSG輸出的有功功率超調(diào)量偏差最小，故障切除后有功功率的振蕩幅度最小、衰減速度最快，能快速恢復(fù)至穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài).

圖7 三相短路故障下3種控制策略的VSG輸出的電壓頻率比較

圖8 三相短路故障下3種控制策略的VSG輸出的有功功率比較

三相短路故障下改進(jìn)的VSG自適應(yīng)參數(shù)控制策略的參數(shù)變化情況如圖9所示.由圖9可知：VSG正常運(yùn)行時(shí)，

J

，

D

，

K

均為

J

，

D

，1，可滿足正常工作時(shí)的動態(tài)響應(yīng)要求；線路上

H

點(diǎn)發(fā)生三相短路故障時(shí)及故障被切除后，

J

，

D

，

K

在滿足觸發(fā)條件下均能自適應(yīng)調(diào)整，減少了功率及頻率的超調(diào)量、抑制了振蕩.

(a)轉(zhuǎn)動慣量；(b)阻尼系數(shù)；(c)自適應(yīng)參數(shù).圖9 三相短路故障下改進(jìn)的VSG自適應(yīng)參數(shù)控制策略的參數(shù)變化情況

4.2 兩相短路接地故障下VSG的仿真分析

0.3 s時(shí)線路上

H

點(diǎn)發(fā)生兩相短路接地故障，0.31 s故障被切除.3種控制策略下VSG輸出的電壓頻率和有功功率比較分別如圖10， 11所示.由圖10可知，相比其他兩種控制策略，改進(jìn)的VSG自適應(yīng)參數(shù)控制策略的VSG輸出的電壓頻率的超調(diào)量最小，故障切除后電壓頻率的振蕩幅度最小、衰減速度最快，可見，改進(jìn)策略提高了VSG的暫態(tài)穩(wěn)定性.由圖11可知，改進(jìn)的VSG自適應(yīng)參數(shù)控制策略的VSG輸出的有功功率超調(diào)量偏差最小，故障切除后有功功率的振蕩幅度最小、衰減速度最快，可見，改進(jìn)策略提高了VSG的暫態(tài)穩(wěn)定性.

圖10 兩相短路接地故障下3種控制策略的VSG輸出的電壓頻率比較

圖11 兩相短路接地故障下3種控制策略的VSG輸出的有功功率比較

圖12為兩相短路故障下改進(jìn)的VSG自適應(yīng)參數(shù)控制策略的參數(shù)變化情況.由圖12可知：VSG正常運(yùn)行時(shí)

J

，

D

，

K

均為

J

，

D

，1，線路上

H

點(diǎn)發(fā)生兩相短路接地故障時(shí)及故障切除后，

J

，

D

，

K

均能在滿足觸發(fā)條件下自適應(yīng)調(diào)整，減少了功率及頻率的超調(diào)量、抑制了振蕩.

(a)轉(zhuǎn)動慣量；(b)阻尼系數(shù)；(c)自適應(yīng)參數(shù).圖12 兩相短路接地故障下改進(jìn)的VSG自適應(yīng)參數(shù)控制策略的參數(shù)變化情況

5 結(jié)束語

該文通過研究大擾動下VSG功角特性及反饋模式，提出大擾動下改進(jìn)的VSG自適應(yīng)參數(shù)控制策略.在Matlab/Simulink環(huán)境下，搭建單機(jī)VSG并網(wǎng)后的系統(tǒng)模型，驗(yàn)證所提控制策略的有效性.仿真結(jié)果表明：不同故障下，相對于

J

，

D

自適應(yīng)參數(shù)控制策略和

J

，

D

定參數(shù)控制策略，改進(jìn)的VSG自適應(yīng)參數(shù)控制策略減少了頻率、功率的超調(diào)量，抑制了振蕩，避免了VSG的失衡，提高了暫態(tài)穩(wěn)定性.