基于VSG的分布式電源控制研究＊

顧永超，張延遲，楊宏坤，查 燚，董賀賀

（1.上海電機學院，上海200000；2.上海電氣風電集團，上海200000）

基于VSG的分布式電源控制研究＊

顧永超1，張延遲1，楊宏坤2，查 燚1，董賀賀1

（1.上海電機學院，上海200000；2.上海電氣風電集團，上海200000）

近年來對于分布式電源中逆變器的研究表明，傳統電流控制型逆變器具有諸多缺點，例如缺乏慣量以及電壓保持和頻率支撐能力。提出了一些新的控制方法，如下垂控制和虛擬同步發電機（VSG）控制等。在上述兩種控制方法中，都是通過下垂特性控制有功功率和無功功率，它們之間唯一的區別是VSG控制具有下垂控制所不具備的虛擬慣量。研究了兩種控制方式的動態特性，建立了一個小信號模型對負荷變化期間的頻率暫態響應進行比較。通過對兩種控制方式的頻率響應進行比較，提出了一種基于VSG的孤島微網協調控制策略。最后通過仿真驗證了該策略在孤島運行方式下的穩定性。

微網；逆變器控制；新能源；儲能

1 引言

為了解決能源危機和環境污染問題，通過利用諸如太陽能、風能等可再生能源的分布式發電在近數十年間得到了長足發展。這些分布式電源通常由一個直流母線和兩個變流器組成，即一個輸出變流器和一個并網變流器。雖然輸出變流器會因為新能源資源和技術等原因而采用不同的控制方式，但是并網變流器通常都是可以通過一定控制方式控制的DC／AC逆變器。分布式電源中逆變器的傳統控制方式是電流控制方式，這種控制方式通常用一個鎖相環來將逆變器和電網進行同步，并通過控制輸出電流來輸出電網預先要求逆變器發出的有功功率和無功功率。這種控制方式有兩個主要的缺點:①采用這種控制方式的分布式電源不具備類似同步機的電壓保持和頻率支撐能力，因此它們不能在孤島模式下運行；②由于不像傳統同步發電機那樣具備轉動慣量，因此采用這種控制方式的逆變器在電網中的滲透率受到一定程度的限制。為此，最先在不間斷電源系統（UPS）中提出的一種VSG控制方式［1-4］，能夠使分布式電源的逆變器具備電壓保持、頻率支撐以及功率分配的能力。近些年因其在UPS系統和微網中的不斷應用，它逐漸吸引起了人們的注意。本文先在理論上對比分析了下垂控制和VSG控制，建立了兩種控制方式的時域模型和小信號模型，通過仿真對比了兩種控制方式在頻率暫態響應方面的差異，驗證了VSG小信號模型的有效性，進一步提出了一種基于VSG的微網協調控制策略，并通過了實驗仿真驗證。

2 VSG和下垂控制原理

為了滿足不同的要求，下垂控制出現了一些不同的改進類型。在線路阻抗可以忽略且電感等效為純電阻的低壓網絡中，新提出的P—V下垂控制取代了傳統的P—ω下垂控制［4］，這種控制方式具有更加理想的功率分配能力和更高的穩定性。一種基于虛擬f—V框架的控制方法，能夠適用于任何線路阻抗比的逆變器控制。在微網中，下垂控制通常在分層控制中扮演一個底層的基本控制，第二層控制往往負責使頻率和電壓保持額定值，第三層控制則負責將分布式電源和電網進行同步以及它們在并網模式下的潮流控制和優化運行。第二層和第三層控制需要從中央控制器獲得通信指令，現多通過無線通信來解決通信指令的傳輸問題，如在參考文獻［5］中為了獲得精確的功率分配而提出的方案，以及在參考文獻［6］中為了減小頻率和電壓偏差而提出的方案。此外，實踐證明，優化下垂系數［7］和補充下垂控制回路［8］可以幫助提高系統的穩定性。

然而，采用下垂控制的分布式電源依舊不能為電力系統提供慣量支撐。因此，VSG控制方案［9、10］近年來被推出，其因加入了同步發電機中的搖擺方程而具有慣量功能。通過對能量進行相應的控制，VSG控制策略利用直流鏈路中存儲的能量作為進行一次調頻旋轉的備用容量，以此來實現虛擬慣量的功能。近年來，分布式電源中已開發出了一些VSG控制方案。在這些方案中，通常需要考慮完整的同步發電機模型，這就使得算法變得更為復雜，同時也對處理器的處理能力提出了更高的要求。在參考文獻［9］、［10］中提出了一種簡單的模型，這種模型只需要同步發電機中的一些必要元素，例如搖擺方程，并且通過運用迭代算法求解搖擺方程就可以直接得到轉子的頻率。

在這篇文章中，為了便于理解兩種控制方式的區別，分別建立了兩種控制方式的時域模型和小信號模型，對VSG控制和下垂控制的暫態特性進行了比較。最終根據VSG的虛擬慣量特性，提出了一種在微網孤島運行方式下的協調控制策略。應該指出的是，盡管本文研究中用到的是在參考文獻［9］、［10］中提出的VSG數學模型，但用其他類型的VSG數學模型建立的小信號模型同樣能夠驗證結果的有效性。此外，本文中出現的小信號模型是分析VSG控制和下垂控制動態特性的一般方法，通過小信號模型可以計算出VSG在各種參數和負荷變化期間頻率暫態響應的理論值，并進行分析和比較，這對未來同類課題的研究來說是一種比較有用的方法。

圖1 VSG控制系統控制原理示意圖

圖1中所示為根據文獻［9、10］中提出的VSG數學模型所搭建的VSG控制系統控制原理示意圖，看上去有點類似于下垂控制。兩種控制方法中的無功功率控制是相同的，因此在本文中僅僅研究兩種控制方式中有功功率控制的差異。

在圖1中，“VSG控制”模塊中的搖擺方程可以表示為:

其中:Pin為調速器中輸出的虛擬軸功率，Pout為實際測量到的輸出功率，J是虛擬慣量，D是虛擬阻尼因子，ωm是虛擬轉子角頻率，ωg是電壓傳感器安裝處的角頻率。在本文中，VSG的虛擬極對數設定為1。

圖1中的調速器模塊是ω-P下垂控制器，用公式可以表示為:

這里P0是有功功率的設定值，ω0是標準角頻率值，kP是下垂系數。

通過式（1）和式（2）消除Pin，則可得到:

在文獻［11］中，ωg是一個用來提供同步頻率以計算阻尼功率值的測量值，在本文中用一個常量代替，如標準頻率ω0，因此，阻尼因子D便與下垂系數kP相等，這樣在一個簡單模型中就可以省略調速器模塊。然而在這種情況下，由于沒有阻尼效應，將可能導致在仿真中產生更大的輸出功率震蕩。

在圖1（b）下垂控制系統中，有功控制模塊中的關系式為:

當J＝0，D＝0時，式（3）就等于式（4），換言之，在慣量和阻尼因子都被設置為0時，下垂控制可以被看做為VSG控制的一種特殊形式。

3頻率的暫態響應比較

對單機系統的分布式電源建立VSG控制和下垂控制的小信號模型和時域仿真模型，基于這兩個模型，計算在一個負荷變化過程中的頻率階躍響應，并對相應的仿真結果進行比較分析。理論上，頻率變化緩慢的系統是較理想的系統，因為df／dt較小意味著系統具有較大的慣量。在慣量較小的系統中，當負荷變化較大時，就很容易使df／dt超過繼電器閾值，從而引起不必要的跳閘和甩荷動作。文獻［11］表明在具有較大慣量的系統中發生瞬時故障時，二次調頻會在負荷變化期間動作，因此系統只需承受一個較小的最大頻率偏移值。

圖2單機系統控制示意圖

3.1小信號模型

如圖2所示為一個單機系統示意圖，其中DG到負荷之間的電纜阻抗，通常在高壓網絡中在忽略電阻后被認為是呈感性的；在低壓網絡中在提供一個感性的虛擬阻抗后也可以等效成這種情況［12］。通過計算潮流，可以推出式（5）。

式中:下標“dg”是與DG相關的參數，且Xdg＝Xf+ Xline，是DG輸出的總電抗；Δδdg＝（Δωm_dg-Δωbus）／s，ωbus是母線頻率；Kdg＝（EdgVbuscosδdg）/Xdg是DG的同步功率系數。所以，式（5）可變為:

從而式（3）的小信號模型可以寫為:

由于其相對于標準頻率的偏差值相對較小，所以ωm_dgSΔωm_dg≈ω0SΔωm_dg。此外，二階擾動項可以被忽略，因此式（7）可變為:

如果再忽略線路損耗，則ΔPout_dg＝ΔPload，這里Pload是負荷消耗的有功功率；如果Xf?Xline，并且Δωg_dg≈Δωbus時，通過式（6）和式（8）消除 Δωg_dg和Δωbus，便可得到:

式（9）是單機系統在VSG控制方式下發生小負荷波動時頻率變化的傳遞函數。如果讓Jdg＝0、Ddg＝0的話，那么就可以得到基于DG的下垂控制傳遞函數

若式（9）中的S＝0，那么式（9）就等于式（10），這也暗示了式（9）中的穩態增益由下垂控制系數kP_dg決定，并且與搖擺方程的參數沒有關系。換言之，在穩態情況下，如果下垂控制系數被設定為相同的值，那么VSG控制和下垂控制就是等效的。

3.2仿真驗證

通過式（9）和式（10）可以很容易計算出在各種參數下經歷一個小負荷波動所引起的DG頻率變化階躍響應的理論值。圖3所示為J0＝10kg·m2、D＊＝25時，根據上述圖2中電路搭建的Matlab／Simulink仿真模型。圖4為通過改變VSG控制器中的J值所得到的一組仿真波形，其中時域在仿真開始的0.2秒時負荷增加2kW，以此來理解VSG的虛擬慣量特性。圖4（a）、（b）的左邊為時域仿真波形圖，右邊為小信號仿真波形圖。圖4（c）為同種參數下的下垂控制仿真波形圖。從仿真波形圖中可以看出，在所有情況下，時域仿真波形基本上與小信號仿真波形一致，這證明小信號模型是有效的。

圖3單機模式下VSG控制模型

圖4負荷變化期間VSG控制和下垂控制在各種參數下的仿真波形

通過對比兩種控制方式在各種情況下的波形圖發現，VSG控制的頻率變化緩慢，而同種情況下下垂控制的頻率則發生了一個近乎階躍的變化。出現這種差異就是因為VSG模擬出了類似于同步發電機慣量的虛擬慣量，從而具備了一定的頻率支撐能力，而下垂控制則不具備。此外Jdg的值越大頻率響應變化得越緩慢，這表明VSG慣量的大小由Jdg的值決定。

4基于VSG的微網協調控制策略

基于上述VSG控制的分布式電源所具有的頻率響應特性，提出一種針對孤島微網的分布式電源協調控制策略——VSG-PQ控制。微網中通常存在各種分布式電源，如風力發電機、光伏陣列、微型燃氣輪機以及各種儲能裝置，這些分布式電源往往具有各不相同的運行特性，所以不論是在并網還是孤島運行情況下，為了保證母線處的電壓和頻率保持在額定范圍內，都要對分布式電源進行協調控制。本文所提出的協調控制策略屬于主從控制，對風力發電機、光伏陣列等采用PQ控制，使其作為主控單元，而對微型燃氣輪機、儲能裝置等采用VSG控制并使其作為從控單元。從控單元需要根據主控單元的運行情況來調整自身的運行狀態，從而給微網提供電壓和頻率支撐。本文構造了一個簡單的微網模型模擬微網孤島運行模式，以驗證VSG控制的逆變器的頻率支撐作用，其電路模型如圖5所示。

圖5基于VSG的微網協調控制電路模型

系統中對容量為20kW的分布式電源采用PQ控制，使其穩定輸出有功20kW，無功輸出為0；對容量為15kW的分布式電源采用VSG控制（Jdg＝J0，D＊＝25），以維持系統中的頻率穩定。仿真模型模擬微網系統在開始穩定運行之后的0.5s增加一個瞬時的5kW的功率波動（見圖6（b）），以觀察系統的頻率變化。此外，本文在同樣的電路參數下，對15kW容量的分布式電源進行了下垂控制，以便于比較分析。

仿真波形如圖6所示。其中，PQ控制的分布式電源輸出穩定的有功和無功（見圖6（a））；在系統負荷發生一個瞬時功率波動之后（見圖6（b）），容量為15kW的分布式電源采用VSG控制的微網系統的頻率幾乎未發生波動（見圖6（c）左），而容量為15kW的分布式電源采用下垂控制的微網系統的頻率則出現了一個大幅值的震蕩過程（見圖6（c）右）。這表明本文所提出的微網控制策略的頻率支撐作用是有效的。

圖6協調控制策略仿真波形

5結束語

微網是新能源發電研究的重要方向，也是未來智能電網的重要組成部分。對微網中逆變器的控制顯得很重要，良好的控制策略應該能保證微網系統中頻率、電壓和功率的平衡。本文中提出的簡單的VSG模型通過加入同步發電機的搖擺方程，模擬出類似于同步發電機慣量的虛擬慣量，這種虛擬慣量使得微網系統具備了類似于同步發電機的一次調頻功能，從而使微網運行更加穩定可靠。此外，本文提出的小信號模型通過仿真驗證了它的有效性。這種模型對于理解虛擬慣量以及今后對VSG的研究很有幫助，也是一個比較有用的工具，本文最后也通過仿真驗證了所提出的孤島微網協調控制策略的有效性。

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Research on control of distributed generators based on VSG

GU Yong-chao1，ZHANG Yan-chi1，YANG Hong-kun2，ZHA Yi1，DONG He-he1
（1.Shanghai Dianji University，Shanghai 200000，China；2.Shanghai Electric Wind Power Group，Shanghai 200000，China）

In recent years，the research of inverter based on distributed power supply shows that the traditional current control inverter has many disadvantages，such as lack of inertia，no voltage holding capability，no frequency supporting capability.Therefore，the new control methods of the droop control and the virtual synchronous generator（VSG）control are proposed.In the above two control methods，they all use the droop characteristics to control the active power and the reactive power，and the only difference between them is that the VSG control has the virtual inertia which is not possessed by the droop control method.The dynamic characteristics of the two control methods are presented.A small signal model is established to analyze and compare the transient response of the frequency while the load changing.By comparing the frequency response of the two control methods，A coordination control strategy of isolated microgrid based on VSG is proposed，and finally，it is simulated and verified that the stability of the proposed strategy in the isolated island operation mode.

microgrid；inverter control；renewable energy；energy storage

TM762

A

顧永超（1991-），男，現為上海電機學院在讀研究生。

2016-05-24

1005—7277（2016）04—0008—06

國家自然科學基金項目（51277119）；上海市教育委員會科研創新項目（10YZ217）

張延遲（1967-），男，副教授，博士，主要研究方向為并網型風力發電機和電力系統仿真。