摘 要：

虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）技術(shù)可模擬發(fā)電機(jī)特性自產(chǎn)相位，通過合適的相角實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的功率輸出，具有更優(yōu)的構(gòu)網(wǎng)特性。首先闡述VSG控制的原理，然后分析電網(wǎng)故障時(shí)產(chǎn)生過流及功角失穩(wěn)現(xiàn)象的原因，并提出一種優(yōu)化的故障穿越策略。所提策略通過計(jì)算VSG輸出電壓實(shí)現(xiàn)VSG的電流限幅與電壓支撐，并降低有功功率參考值防止功角失穩(wěn)，同時(shí)引入負(fù)序電流環(huán)抑制不對稱故障下產(chǎn)生的三相不平衡電流。最后，基于PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)，搭建VSG控制的柔性直流模型，驗(yàn)證了所提控制策略的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞：

虛擬同步發(fā)電機(jī); 故障穿越策略; 故障電流限制; 失穩(wěn)

中圖分類號(hào)： TM464

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）09-0008-07

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.09.002

Fault Ride Through Strategy Based on Virtual Synchronous Generator Control

LI Yanmei， LU Qinghua， LI Tai， HU Yongchang， SU Jinguo， ZHANG Yanhao

（XJ Electric Co.，Ltd.， Xuchang 461000， China）

Abstract：

Virtual synchronous generator （VSG） technology generates its own phase by simulating the characteristics of the generator， and achieves accurate power output through appropriate phase angles， which has better grid characteristics.Firstly，the basic principles of VSG control is explained，then the causes of overcurrent and instability during power grid faults are analyzed.Based on this，an optimized fault ride through strategy is proposed.This strategy achieves current limiting and voltage support of VSG by calculating the output voltage of VSG， reduces the active power reference value to prevent power angle instability， and introduces a negative sequence current loop to suppress three-phase unbalanced current generated under asymmetric faults.Finally， based on the PSCAD/EMTDC simulation platform，a flexible DC model based on VSG control is built， and the correctness and effectiveness of the proposed control strategy is verified.

Key words：

virtual synchronization generator （VSG）; fault ride through strategy; fault current limit; unstability

0 引 言

推進(jìn)能源改革，建設(shè)清潔低碳、安全高效的能源體系，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的必經(jīng)之路。近年來，我國以風(fēng)電、光伏發(fā)電等為代表的新能源產(chǎn)業(yè)得到了高速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2050年，我國新能源裝機(jī)量將超過35億kW，將是傳統(tǒng)同步電源裝機(jī)量的2倍，新能源發(fā)電將在未來的電力系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。柔性直流輸電技術(shù)因采用了全控型的電力電子逆變器絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和高頻調(diào)制技術(shù)，具有反應(yīng)速度快、可控性較好、運(yùn)行方式靈活等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于新能源傳輸、大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)等方面。然而，電力電子逆變器具有低慣性、無阻尼等特點(diǎn)，其大規(guī)模、高比例發(fā)展給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了更大的挑戰(zhàn)［1-2］。

傳統(tǒng)柔性直流工程采用經(jīng)典電流矢量控制，可有效調(diào)節(jié)有功功率和無功功率，在較強(qiáng)電網(wǎng)中有良好的適用性。但在弱電系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)阻抗大，小的電流波動(dòng)就會(huì)造成換流站母線端口電壓較大的波動(dòng)，鎖相環(huán)固有的控制延時(shí)導(dǎo)致其無法緊密跟蹤相位變化，控制器根據(jù)有偏差的相位信息發(fā)出的有功、無功與預(yù)期不符，從而引起系統(tǒng)失穩(wěn)。

目前盛行的虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）技術(shù)是通過模擬同步發(fā)電機(jī)組的機(jī)電暫態(tài)特性，解決大量電力電子逆變器接入帶來的低慣性、無阻尼等問題。同時(shí)VSG具有自同步特性，無須額外的同步裝置，省去了鎖相環(huán)環(huán)節(jié)，通過內(nèi)部自同步算法實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器機(jī)端電壓和頻率的調(diào)節(jié)，從而與電網(wǎng)保持同步［3］。

本文將VSG技術(shù)應(yīng)用于柔性直流工程，建立了柔性直流VSG控制系統(tǒng)模型;研究電網(wǎng)故障下VSG過流和功角失穩(wěn)的原因，提出了有功功率參考值切換、輸出電壓計(jì)算、電流控制限幅等故障穿越策略;最后利用仿真驗(yàn)證了所提策略的有效性。

1 VSG控制原理

VSG控制是通過電力電子設(shè)備模擬同步發(fā)電機(jī)的特性，使得換流器具有與同步發(fā)電機(jī)一樣的調(diào)頻、調(diào)壓功能，從而提高系統(tǒng)的慣性和阻尼，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。VSG控制系統(tǒng)如圖1所示。其采用電壓電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。其中，有功-頻率環(huán)節(jié)模擬同步發(fā)電機(jī)的調(diào)頻功能，生成虛擬相位θ;無功-電壓環(huán)節(jié)模擬同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)功能，生成虛擬電壓Ep;虛擬電流計(jì)算環(huán)節(jié)根據(jù)Ep、θ生成內(nèi)環(huán)電流參考值Isdref、Isqref，進(jìn)而由內(nèi)環(huán)電流控制輸出換流器的調(diào)制電壓。

2 電網(wǎng)故障下VSG輸出特性

VSG控制與電網(wǎng)的等值電路如圖2所示。

設(shè)換流器輸出的等效電壓為E∠θ，電網(wǎng)電壓為US∠0，換流器與交流等效系統(tǒng)之間假設(shè)為純電抗X，電流為IS，換流器注入交流系統(tǒng)的視在功率為S，有功功率為P，無功功率為Q，對應(yīng)公式為

IS=E∠θ－US∠0jX=Esinθ－j（Ecosθ－US）X

S=P+jQ=US∠0·IS=" USEsinθ+jUS（US－Ecosθ）X

P=USEsinθX

Q=US（US－Ecosθ）X（1）

正常運(yùn)行時(shí)，相角差θ較小，正弦函數(shù)變化顯著，余弦函數(shù)趨近飽和，因此有功功率輸出主要取決于相角差θ，無功功率輸出主要取決于幅值差US-Ecosθ，換流器可以獨(dú)立控制有功功率和無功功率。

2.1 電流特性

由式（1）可知，換流器輸出電壓為

E=US+jXIS（2）

VSG相量圖如圖3所示。其中Ilim為電子器件所能承受的電流最大值。

電流IS大小由換流器輸出電壓E與電網(wǎng)電壓US的相量差決定。正常運(yùn)行時(shí)，為防止電力電子器件損壞，設(shè)定的電流值都有一定的裕度，因此實(shí)際電流IS＜Ilim。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，電網(wǎng)電壓US減小，VSG輸出電壓幅值E由于慣性來不及改變，導(dǎo)致E－US變大，jXIS增大，IS變大。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落較小時(shí)，VSG可以穩(wěn)定在一個(gè)較大電流的靜態(tài)運(yùn)行點(diǎn)。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落較大時(shí)，電流IS將超過電力電子器件所能承受的電流最大值Ilim，如果不加以控制，就會(huì)導(dǎo)致電力電子器件損壞。由此可見，故障電流與VSG和電網(wǎng)之間電壓相量差過大有關(guān)，調(diào)整VSG輸出電壓E和相角差θ，減小電壓矢量差即可減小短路電流［4-6］。

2.2 功角特性

VSG功角曲線如圖4所示。其中Pref為有功功率參考值，δ為功角，δN為故障前的穩(wěn)態(tài)功角，δB為故障切除時(shí)的功角，δC為最大切除功角。故障前，VSG穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)A在曲線PⅠ上;故障瞬間，由于VSG的慣性，功角δ不能突變，VSG工作點(diǎn)轉(zhuǎn)為曲線PⅡ?qū)?yīng)的B點(diǎn)，輸出的有功功率為P0，Pref－P0gt;0，功率過剩，因此是加速性的，Δωgt;0，隨著δ增大，VSG工作點(diǎn)沿著曲線PⅡ由B點(diǎn)向C點(diǎn)移動(dòng)，VSG有功功率增大，過剩功率減小，加速過程中獲得的動(dòng)能增量為正，等于加速面積S1。當(dāng)δ=δB時(shí)故障切除，由于功角δ不能突變，VSG工作點(diǎn)轉(zhuǎn)為曲線PⅢ對應(yīng)的D點(diǎn)，輸出的有功功率

為P1，Pref－P1lt;0，因此是減速性的，雖然減小，但仍Δω＞0，δ繼續(xù)增大，VSG工作點(diǎn)沿著曲線PⅢ由D點(diǎn)向E點(diǎn)移動(dòng)，減速過程中獲得的動(dòng)能增量為負(fù)，等于減速面積S。當(dāng)S1=S時(shí)，表示VSG集聚的動(dòng)能增量為0，系統(tǒng)可以重新恢復(fù)有功平衡。隨著δ增大，減速面積逐漸增大，當(dāng)δ=δC時(shí)，稱為最大減速面積S2。當(dāng)S1≤S2時(shí)，系統(tǒng)能夠重新恢復(fù)有功平衡;當(dāng)S1gt;S2時(shí)，則系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)。由此可見，VSG功角失穩(wěn)與有功功率輸入、輸出不平衡有關(guān)，調(diào)整有功功率指令值減小加速面積即可對VSG功角進(jìn)行控制［7-9］。

3 VSG控制故障穿越策略

根據(jù)VSG的暫態(tài)特性，本文提出的VSG控制故障穿越策略如圖5所示。

3.1 有功-頻率環(huán)節(jié)

由圖4可知，只要S1≤S2，就可以實(shí)現(xiàn)功角穩(wěn)定。由于故障瞬間功角不能突變，故障期間，令功率參考值等于實(shí)測值，使加速面積最小，減速面積很快等于加速面積，就可以實(shí)現(xiàn)故障前后功角近似相等。同時(shí)，為了保證穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)不因頻率正常波動(dòng)而引起過大功率變化，將頻率參考值ωref由額定值1 p.u.改為對ω經(jīng)一階濾波處理后的值，對應(yīng)公式［10-12］為

Jdωdt=Pref－Pe－Dωref－ωdθdt=ωPref=Pref0， FLT=0Ps， FLT=1FLT=0， Uac_posgt;0.901， Uac_poslt;0.85（3）

3.2 無功-電壓環(huán)節(jié)

由圖3可知，E∠θ=US∠0+jXIlim，而有功-頻率優(yōu)化策略可保障故障前后功角近似相等。因此，故障期間如果要實(shí)現(xiàn)最大的電壓支撐且電流不越限，可以根據(jù)實(shí)測電網(wǎng)電壓、虛擬電抗、限制電流、故障前功角，計(jì)算VSG輸出電壓幅值Ecal［13-15］，對應(yīng)公式為

E*P=E0+kp+1Tis［kac（Uac_ref－Uac）］

Ecal=UScosθ+（X·Ilim）2－USsinθ

θ=θN

EP=min（E*P，Ecal）（4）

式中： E*P——優(yōu)化前的虛擬電壓;

E0——初始虛擬電壓，E0=1;

kp——比例系數(shù);

Ti——積分系數(shù);

kac——比例系數(shù);

Uac_ref——交流電壓參考值;

Uac——交流電壓實(shí)際值;

Ecal——計(jì)算的虛擬電壓;

EP——優(yōu)化后的虛擬電壓。

3.3 虛擬電流計(jì)算環(huán)節(jié)

根據(jù)工程現(xiàn)場實(shí)測的電阻值、電感值，計(jì)算內(nèi)環(huán)電流參考值，輸出受最大、最小電流限幅，對應(yīng)公式為

Us=Usd+jUsq

Ucref=Ucdref+jUcqref

Isdref+jIsqref=Us－UcrefR+jX= （Usd+jUsq）－（Ucdref+jUcqref）R+jX

Ucdref=EP

Ucqref=0（5）

式中： Us——交流母線電壓基波分量;

Usd、Usq——交流母線電壓d軸、q軸分量;

Ucref——換流器輸出電壓的參考值;

Ucdref、Ucqref——換流器輸出電壓參考值d軸、q軸分量;

Isdref、Isqref——虛擬電流計(jì)算環(huán)節(jié)輸出的d軸、q軸電流參考值;

R——虛擬電阻;

X——虛擬電感。

3.4 內(nèi)環(huán)電流控制環(huán)節(jié)

電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時(shí)，VSG受電網(wǎng)箝位的影響，輸出電壓同時(shí)含有正序分量和負(fù)序分量，導(dǎo)致VSG輸出電流不平衡和功率波動(dòng)［16-18］。因此，電流內(nèi)環(huán)包含正序電流環(huán)和負(fù)序電流環(huán)，其中負(fù)序電流環(huán)用來控制不平衡三相電流，對應(yīng)公式為

U+d=U+sd－kp+1Tis（idref－i+d）+ωLi+q

U+q=U+sq－kp+1Tis（iqref－i+q）－ωLi+q

U－d=U－sd－kp+1Tis（0－i－d）－ωLi－q

U－q=U－sq－kp+1Tis（0－i－q）+ωLi－q（6）

式中： U+d、U+q——正序d軸、q軸輸出電壓;

U－d、U－q——負(fù)序d軸、q軸輸出電壓;

U+sd、U+sq——電網(wǎng)正序d軸、q軸輸出電壓;

U－sd、U－sq——電網(wǎng)負(fù)序d軸、q軸輸出電壓;

idref、iqref——正序d軸、q軸輸出電流參考值;

i+d、i+q——正序d軸、q軸輸出電流實(shí)際值;

i－d、i－q——負(fù)序d軸、q軸輸出電流實(shí)際值;

ωL——耦合系數(shù)。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提控制策略的有效性，基于2種控制策略分別搭建了PSCAD/EMTDCC模型，并進(jìn)行了交流故障試驗(yàn)，最后將同等試驗(yàn)條件下2種控制策略的波形進(jìn)行對比和分析。試驗(yàn)中，仿真參數(shù)如表1所示。

4.1 不對稱單相接地故障

試驗(yàn)說明：VSG運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)，功率水平為1 p.u. （1 250 MW）。在t=0.3 s時(shí)，網(wǎng)側(cè)母線發(fā)生A相接地故障，故障時(shí)間1.5 s，故障電阻3 Ω，電網(wǎng)電壓跌落至0.3 p.u.。A相接地故障工況下VSG控制優(yōu)化前后試驗(yàn)波形如圖6所示。

優(yōu)化前控制：故障發(fā)生時(shí)，有功功率參考值不變，有功功率實(shí)際值變小，功率過剩，角速度持續(xù)增大，最終導(dǎo)致VSG失穩(wěn);同時(shí)，交流電壓參考值與實(shí)際值偏差變大，在P控制器作用下，根據(jù)無功電壓環(huán)節(jié)計(jì)算公式，VSG輸出的電壓幅值Ep迅速增大到限制值1.5 p.u.，電流跟隨Ep增大而增大，如果不加限制，最終導(dǎo)致電流越限，損壞電子器件。

優(yōu)化后控制：故障發(fā)生時(shí)，有功功率優(yōu)化環(huán)節(jié)快速調(diào)整有功功率參考值，令參考值等于實(shí)測值，使加速面積降到最小，角速度經(jīng)過短暫調(diào)節(jié)就可以很快恢復(fù)到額定值1.0 p.u.，從而維持VSG功角穩(wěn)定;無功功率優(yōu)化環(huán)節(jié)通過計(jì)算的VSG輸出電壓幅值，交流電流從1.2 p.u.降到1.0 p.u.。

4.2 對稱三相接地故障

試驗(yàn)說明：VSG運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)，功率水平為1 p.u.（1 250 MW）。在t=0.3 s時(shí)，網(wǎng)側(cè)母線發(fā)生三相接地故障，故障時(shí)間1.5 s，故障電阻3 Ω，三相接地故障工況下VSG控制優(yōu)化前后試驗(yàn)波形如圖7所示。

優(yōu)化前控制：故障發(fā)生時(shí)，有功功率參考值不變，有功功率實(shí)際值變小，功率過剩，角速度持續(xù)增大，最終導(dǎo)致VSG失穩(wěn);同時(shí)，交流電壓參考值與實(shí)際值偏差變大，在P控制器作用下，根據(jù)無功電壓環(huán)節(jié)計(jì)算公式，VSG輸出的電壓幅值Ep迅速增大到限制值1.5 p.u.，電流隨著Ep增大而增大，如果不加限制，最終導(dǎo)致電流越限，損壞電子器件。

優(yōu)化后控制：故障發(fā)生時(shí)，有功功率優(yōu)化環(huán)節(jié)快速調(diào)整有功參考值，令參考值等于實(shí)測值，使加速面積降到最小，角速度經(jīng)過短暫調(diào)節(jié)就可以很快恢復(fù)到額定值1.00 p.u.，從而維持VSG功角穩(wěn)定;無功優(yōu)化環(huán)節(jié)通過計(jì)算的VSG輸出電壓幅值，交流電流明顯變小，從1.30 p.u.下降到1.05 p.u.。

5 結(jié) 語

本文針對傳統(tǒng)VSG在電網(wǎng)故障時(shí)可能存在的功角失穩(wěn)和電流越限問題進(jìn)行研究，分析了故障下VSG的暫態(tài)輸出特性，提出了一種VSG優(yōu)化控制策略，并通過電磁暫態(tài)仿真PSCAD/EMTDC驗(yàn)證了策略的有效性，結(jié)論如下：

（1） 提出有功功率-頻率優(yōu)化策略，通過降低有功功率參考值，減小加速面積，保障功角穩(wěn)定。

（2） 提出無功功率-電壓優(yōu)化策略，通過切換計(jì)算的VSG輸出電壓，保障電流不越限，實(shí)現(xiàn)最大的電壓支撐。

（3） 引入負(fù)序電流環(huán)，有效抑制VSG輸出電流不平衡和功率波動(dòng)。

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收稿日期： 2024-06-06