同步控制逆變電源并網預同步過程的研究

珠海興業新能源科技有限公司 劉海鵬

同步控制逆變電源并網預同步過程的研究

珠海興業新能源科技有限公司 劉海鵬

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

【關鍵詞】預同步控制；逆變電源；控制；VSG；下垂特性；微電網

微電網其本質是由多個微電源與負荷所共同組成的集合型系統，它具備孤島與聯網兩種工作模式，被稱為分布式發電領域的重要分支。在微電網所構成的體系中，大部分電源都是通過逆變器作為接口接入設備的，所以對微電網而言，對逆變器的高質量控制是相當必要的。

一、微電網中逆變電源的控制

（一）逆變器控制

微電網中對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兩軸電流來做到對電網輸出有功、無功功率的控制，這種方法高效且簡易，已經被廣泛應用于微電網的聯網運行模式中。所以說，微電網的孤島運行是基于多個分布式電源并聯來實現供電的，由于沒有大電網對它的電壓及頻率提供電力支撐，所以它必須通過若干個發電電源來作為系統的幅頻控制節點，達到確保母線電壓幅值及頻率的共同穩定。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，依據這一特性，逆變電源能夠實現自動決定所輸出電壓的幅值及頻率，這里綜合借鑒了電力系統中“有功調頻、無功調壓”的調節理念，再經過對逆變電源的輸出電壓、電流檢測信息來實現最終的系統電壓穩定供應，最后達到功率均分。

（二）VSG控制

由于在下垂控制理論下的逆變電源相比于傳統同步發電設備在慣量上表現較為薄弱，所以它對電力系統機械的慣性貢獻也更小，這就使電力系統的電壓與頻率穩定性趨于劣勢。另外，現有分布式電源的并網接口形式較為多樣，而且控制策略也相對繁瑣，這也使許多電力上網動態模型難以達到模式統一，讓電力系統中某些較為成熟的調控技術無法正常發揮，所以基于此問題，業界就研究了圍繞虛擬同步理念所設計的VSG（virtual synchronous generator）發電機，它以電力電子逆變器的并網分布式發電系統來建設，并配備了電能儲能環節，通過并網逆變電源控制算法來實現對同步發電機的并網預同步過程，即VSG控制。

因為在VSG發電機中，鎖相環測量與合閘開關動作是存在誤差的，所以必須在逆變電源中接入微電網，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合閘條件下，基于微小頻率差來降低合閘開關動作誤差。因此同步控制逆變電源在并入微電網以后就會出現相位同步及追蹤過程，這一過程也被稱為并網預同步過程［1］。

二、以下垂控制為核心的逆變電源并網預同步控制過程

預同步發電機的理想并聯合閘條件就是在各發電機輸出段電壓幅值、相序、相位及頻率都相同時，判斷并滿足逆變電源的并網預同步控制過程。利用預同步控制可以調節同步發電機中的勵磁電流，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，還可以基于相量圖機組電壓來實現對發電機的控制。而如果頻率相等，相位差固定不變，此時相位是無法進行調節的，這就說明了在合閘后的瞬時電壓還是存在一定偏差的。所以對預同步發電機而言，正是這種電壓差的存在才出現了自整步功能，讓發電機能夠實現并網預同步過程。

（一）頻差電壓的計算

假設逆變電源母線為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）基于下垂的預同步控制

考慮到逆變電源合閘開關動作時間是存在一定誤差的，所以要在假設誤差時間之后，假定所完成的合閘時刻待并入電源頻率＞發電機頻率，電壓幅值相等?；诖耍敽祥l完成后，電壓之間就會出現相角差，因此預同步過程也會使得相角差逐漸減小，而VGS發電機由于慣性其頻率也會處于緩慢增加狀態。當相角差足夠小時，基于下垂控制計算的逆變電源頻率就會發生快速變化。當相角差為0時，逆變電源與電壓之間會處于不相等狀態，此時相角差就會再次被反向來開。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劇烈的，如圖1所示［2］。

圖1 預同步逆變電源的同步控制示意圖

三、基于VSG的逆變電源并網預同步控制策略

VSG具備兩種特性：同步發電機定子電氣特性和引入虛擬轉子軸的轉子特性，所以基于同步發電機的調速理論來引入虛擬調速概念是可行的。這里利用到了P/f功率調節下垂特性，并基于同步發電機勵磁機理來引入虛擬勵磁概念。這其中包括對輸出電壓的控制、以Q/E下垂特性為主的電壓調節以及由電源輸出電壓幅值計算為主的無功功率目標值輸出等等。

如果忽略發電機的自身損耗，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，在引入虛擬轉軸后，逆變電源中的電機轉子在加減速方面就會得到系統指令，令內電勢頻率發生一定慣性變化。而對于電壓幅值來說，VSG的控制會讓虛擬勵磁裝置在轉子繞組方面產生一定電氣慣量，從而限制內電勢幅值的突變，這讓基于VSG控制的逆變電源產生了慣量。

另一方面，在同步控制逆變電源的并網預同步過程中，它的運行頻率應該為f，所以要根據下垂線找出原動機指令并得出Pm1＜0這一結論后再完成合閘，此時的相角差＞0，且VSG輸出電磁功率＞0。根據虛擬軸系運動方程可以得到以下結論，當VSG虛擬軸上受到制動性質的轉矩使虛擬轉子減速運行時，同步發電機轉子將會加速運行?？紤]到該系統存在較大慣性，所以當VSG與同步發電機頻率首次相同時，它的相角差一定不會為0，而VSG則會繼續減速直到最小值，隨后再加速。同

時，同步發電機轉子其轉速也會發生相同變化，在如此運行往復后，VSG會最終穩定運行于某一點，使轉子頻率與同步發電機完全相等，此時，預同步過程就宣告全部完成［3］。

四、總結

根據本文論述可知，基于VSG控制的同步發電機、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，并通過虛擬調速系統作用在虛擬轉子軸系上完成對發電機中內電勢頻率的控制，很好的限制了內電勢可能發生的頻率突變與幅值突變現象。另外，基于VSG控制的逆變電源在并網合閘方面也具有較強的快速追蹤特性，為電力系統的機械慣量作出了可觀貢獻，是電力系統未來保持穩定運營的關鍵。

參考文獻

［1］王克，王澤忠，柴建云等.同步控制逆變電源并網預同步過程分析［J］.電力系統自動化，2015，39（12）∶152-158.

［2］王克.基于虛擬同步發電機的風力發電系統接口特性的研究［D］.華北電力大學（北京），2015.19-20.

［3］鄭燕.基于虛擬同步發電機的光伏逆變器并網控制的研究［D］.安徽理工大學，2015.36-37.

作者簡介：

劉海鵬（1986—），男，內蒙古赤峰人，大學本科，助理工程師，研究方向：電子信息科學、機電工程。