同步控制逆變電源并網(wǎng)預(yù)同步過程的研究

珠海興業(yè)新能源科技有限公司 劉海鵬

同步控制逆變電源并網(wǎng)預(yù)同步過程的研究

珠海興業(yè)新能源科技有限公司 劉海鵬

【摘要】現(xiàn)如今，光伏發(fā)電已經(jīng)逐漸成為新能源發(fā)電主流能源利用型式，光伏發(fā)電普遍以分布式型式接入電源，考慮到太陽能地域分布、輻射量時(shí)間分布不均，且隨著分布式電源滲透率的不斷提高，傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)已經(jīng)不能滿足光伏電力系統(tǒng)的接入需求。本文希望采用并網(wǎng)同步控制逆變電源與負(fù)荷共同組成微電網(wǎng)，探討基于下垂控制特性的逆變電源并網(wǎng)預(yù)同步控制過程，最后介紹了基于VSG微電網(wǎng)逆變器的逆變電源并網(wǎng)預(yù)同步控制策略。

【關(guān)鍵詞】預(yù)同步控制；逆變電源；控制；VSG；下垂特性；微電網(wǎng)

微電網(wǎng)其本質(zhì)是由多個(gè)微電源與負(fù)荷所共同組成的集合型系統(tǒng)，它具備孤島與聯(lián)網(wǎng)兩種工作模式，被稱為分布式發(fā)電領(lǐng)域的重要分支。在微電網(wǎng)所構(gòu)成的體系中，大部分電源都是通過逆變器作為接口接入設(shè)備的，所以對(duì)微電網(wǎng)而言，對(duì)逆變器的高質(zhì)量控制是相當(dāng)必要的。

一、微電網(wǎng)中逆變電源的控制

（一）逆變器控制

微電網(wǎng)中對(duì)逆變器的控制分為兩種：幅頻控制和功率控制。其中功率控制依據(jù)電流源模式展開控制，它依靠控制逆變電源所輸出的d、q兩軸電流來做到對(duì)電網(wǎng)輸出有功、無功功率的控制，這種方法高效且簡易，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于微電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式中。所以說，微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行是基于多個(gè)分布式電源并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)供電的，由于沒有大電網(wǎng)對(duì)它的電壓及頻率提供電力支撐，所以它必須通過若干個(gè)發(fā)電電源來作為系統(tǒng)的幅頻控制節(jié)點(diǎn)，達(dá)到確保母線電壓幅值及頻率的共同穩(wěn)定。本文所探討的同步控制逆變電源是基于下垂特性理論展開的，依據(jù)這一特性，逆變電源能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)決定所輸出電壓的幅值及頻率，這里綜合借鑒了電力系統(tǒng)中“有功調(diào)頻、無功調(diào)壓”的調(diào)節(jié)理念，再經(jīng)過對(duì)逆變電源的輸出電壓、電流檢測(cè)信息來實(shí)現(xiàn)最終的系統(tǒng)電壓穩(wěn)定供應(yīng)，最后達(dá)到功率均分。

（二）VSG控制

由于在下垂控制理論下的逆變電源相比于傳統(tǒng)同步發(fā)電設(shè)備在慣量上表現(xiàn)較為薄弱，所以它對(duì)電力系統(tǒng)機(jī)械的慣性貢獻(xiàn)也更小，這就使電力系統(tǒng)的電壓與頻率穩(wěn)定性趨于劣勢(shì)。另外，現(xiàn)有分布式電源的并網(wǎng)接口形式較為多樣，而且控制策略也相對(duì)繁瑣，這也使許多電力上網(wǎng)動(dòng)態(tài)模型難以達(dá)到模式統(tǒng)一，讓電力系統(tǒng)中某些較為成熟的調(diào)控技術(shù)無法正常發(fā)揮，所以基于此問題，業(yè)界就研究了圍繞虛擬同步理念所設(shè)計(jì)的VSG（virtual synchronous generator）發(fā)電機(jī)，它以電力電子逆變器的并網(wǎng)分布式發(fā)電系統(tǒng)來建設(shè)，并配備了電能儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，通過并網(wǎng)逆變電源控制算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)預(yù)同步過程，即VSG控制。

因?yàn)樵赩SG發(fā)電機(jī)中，鎖相環(huán)測(cè)量與合閘開關(guān)動(dòng)作是存在誤差的，所以必須在逆變電源中接入微電網(wǎng)，并著手解決其頻率、相位完全同步的問題。所以本文提出在非理想并網(wǎng)合閘條件下，基于微小頻率差來降低合閘開關(guān)動(dòng)作誤差。因此同步控制逆變電源在并入微電網(wǎng)以后就會(huì)出現(xiàn)相位同步及追蹤過程，這一過程也被稱為并網(wǎng)預(yù)同步過程［1］。

二、以下垂控制為核心的逆變電源并網(wǎng)預(yù)同步控制過程

預(yù)同步發(fā)電機(jī)的理想并聯(lián)合閘條件就是在各發(fā)電機(jī)輸出段電壓幅值、相序、相位及頻率都相同時(shí)，判斷并滿足逆變電源的并網(wǎng)預(yù)同步控制過程。利用預(yù)同步控制可以調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)中的勵(lì)磁電流，并使二者電壓幅值相同。如果電壓與相序相同卻頻率不同時(shí)，還可以基于相量圖機(jī)組電壓來實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的控制。而如果頻率相等，相位差固定不變，此時(shí)相位是無法進(jìn)行調(diào)節(jié)的，這就說明了在合閘后的瞬時(shí)電壓還是存在一定偏差的。所以對(duì)預(yù)同步發(fā)電機(jī)而言，正是這種電壓差的存在才出現(xiàn)了自整步功能，讓發(fā)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)預(yù)同步過程。

（一）頻差電壓的計(jì)算

假設(shè)逆變電源母線為D相電壓，就有：

如果并入逆變電源與母線的電壓幅值和相序都一致，而頻率方面僅存在較小偏差，則可以定義頻差電壓為：

（二）基于下垂的預(yù)同步控制

考慮到逆變電源合閘開關(guān)動(dòng)作時(shí)間是存在一定誤差的，所以要在假設(shè)誤差時(shí)間之后，假定所完成的合閘時(shí)刻待并入電源頻率＞發(fā)電機(jī)頻率，電壓幅值相等。基于此，當(dāng)合閘完成后，電壓之間就會(huì)出現(xiàn)相角差，因此預(yù)同步過程也會(huì)使得相角差逐漸減小，而VGS發(fā)電機(jī)由于慣性其頻率也會(huì)處于緩慢增加狀態(tài)。當(dāng)相角差足夠小時(shí)，基于下垂控制計(jì)算的逆變電源頻率就會(huì)發(fā)生快速變化。當(dāng)相角差為0時(shí)，逆變電源與電壓之間會(huì)處于不相等狀態(tài)，此時(shí)相角差就會(huì)再次被反向來開。所以整體來看，基于下垂控制的逆變電源頻率變化幅度是相當(dāng)劇烈的，如圖1所示［2］。

圖1 預(yù)同步逆變電源的同步控制示意圖

三、基于VSG的逆變電源并網(wǎng)預(yù)同步控制策略

VSG具備兩種特性：同步發(fā)電機(jī)定子電氣特性和引入虛擬轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)子特性，所以基于同步發(fā)電機(jī)的調(diào)速理論來引入虛擬調(diào)速概念是可行的。這里利用到了P/f功率調(diào)節(jié)下垂特性，并基于同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)理來引入虛擬勵(lì)磁概念。這其中包括對(duì)輸出電壓的控制、以Q/E下垂特性為主的電壓調(diào)節(jié)以及由電源輸出電壓幅值計(jì)算為主的無功功率目標(biāo)值輸出等等。

如果忽略發(fā)電機(jī)的自身損耗，就可以得到圖2中基于VSG控制的基本框架示意圖，如圖2所示。

圖2 基于VSG控制理念的框架示意圖

如圖2所示，在引入虛擬轉(zhuǎn)軸后，逆變電源中的電機(jī)轉(zhuǎn)子在加減速方面就會(huì)得到系統(tǒng)指令，令內(nèi)電勢(shì)頻率發(fā)生一定慣性變化。而對(duì)于電壓幅值來說，VSG的控制會(huì)讓虛擬勵(lì)磁裝置在轉(zhuǎn)子繞組方面產(chǎn)生一定電氣慣量，從而限制內(nèi)電勢(shì)幅值的突變，這讓基于VSG控制的逆變電源產(chǎn)生了慣量。

另一方面，在同步控制逆變電源的并網(wǎng)預(yù)同步過程中，它的運(yùn)行頻率應(yīng)該為f，所以要根據(jù)下垂線找出原動(dòng)機(jī)指令并得出Pm1＜0這一結(jié)論后再完成合閘，此時(shí)的相角差＞0，且VSG輸出電磁功率＞0。根據(jù)虛擬軸系運(yùn)動(dòng)方程可以得到以下結(jié)論，當(dāng)VSG虛擬軸上受到制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩使虛擬轉(zhuǎn)子減速運(yùn)行時(shí)，同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子將會(huì)加速運(yùn)行。考慮到該系統(tǒng)存在較大慣性，所以當(dāng)VSG與同步發(fā)電機(jī)頻率首次相同時(shí)，它的相角差一定不會(huì)為0，而VSG則會(huì)繼續(xù)減速直到最小值，隨后再加速。同

時(shí)，同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子其轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生相同變化，在如此運(yùn)行往復(fù)后，VSG會(huì)最終穩(wěn)定運(yùn)行于某一點(diǎn)，使轉(zhuǎn)子頻率與同步發(fā)電機(jī)完全相等，此時(shí)，預(yù)同步過程就宣告全部完成［3］。

四、總結(jié)

根據(jù)本文論述可知，基于VSG控制的同步發(fā)電機(jī)、逆變電源之間是存在許多相似特性的，它們都利用到了下垂特性，并通過虛擬調(diào)速系統(tǒng)作用在虛擬轉(zhuǎn)子軸系上完成對(duì)發(fā)電機(jī)中內(nèi)電勢(shì)頻率的控制，很好的限制了內(nèi)電勢(shì)可能發(fā)生的頻率突變與幅值突變現(xiàn)象。另外，基于VSG控制的逆變電源在并網(wǎng)合閘方面也具有較強(qiáng)的快速追蹤特性，為電力系統(tǒng)的機(jī)械慣量作出了可觀貢獻(xiàn)，是電力系統(tǒng)未來保持穩(wěn)定運(yùn)營的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

［1］王克，王澤忠，柴建云等.同步控制逆變電源并網(wǎng)預(yù)同步過程分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39（12）∶152-158.

［2］王克.基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接口特性的研究［D］.華北電力大學(xué)（北京），2015.19-20.

［3］鄭燕.基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏逆變器并網(wǎng)控制的研究［D］.安徽理工大學(xué)，2015.36-37.

作者簡介：

劉海鵬（1986—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，大學(xué)本科，助理工程師，研究方向：電子信息科學(xué)、機(jī)電工程。