基于電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機的控制方法研究

李治中，哈立原

（錫林郭勒職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)工程系，內(nèi)蒙古錫林浩特026000）

基于電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機的控制方法研究

李治中*，哈立原

（錫林郭勒職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)工程系，內(nèi)蒙古錫林浩特026000）

隨著風(fēng)電裝備的大規(guī)模普及，作為風(fēng)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的關(guān)鍵接口，并網(wǎng)逆變裝置對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響越來越顯著。本文基于同步發(fā)電機數(shù)學(xué)模型，提出一種基于虛擬同步發(fā)電機原理VSG（Virtual Synchronous Generator）的等效功率平抑及頻率補償方法，通過110 kw風(fēng)力發(fā)電機組的試驗樣機對該方法的有效性進行了試驗驗證，結(jié)果表明：虛擬同步發(fā)電機控制技術(shù)使得電網(wǎng)接口具有與同步發(fā)電機相同的優(yōu)良控制性能，為電網(wǎng)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的慣性和阻尼，提高大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

風(fēng)電系統(tǒng)；虛擬同步發(fā)電機；功率平抑；頻率補償；電網(wǎng)接口

隨著國家對環(huán)保節(jié)能要求的不斷提高，各行各業(yè)都在進行節(jié)能減排［1-2］，作為新興的綠色節(jié)能產(chǎn)業(yè)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用［3］。

為了促進風(fēng)電系統(tǒng)的大規(guī)模普及，各國學(xué)者針對電網(wǎng)接口的靜動態(tài)性能，展開大量研究，提出多種基于現(xiàn)代控制理論的控制策略，諸如間接和直接電流控制、直接功率控制以及模型預(yù)測控制等的控制策略［4-6］。雖然學(xué)者提出了多種接口控制方案，但仍然無法滿足快速增長的智能化電網(wǎng)的需求。并網(wǎng)逆變裝置以電力電子器件為核心部件，雖然對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)負荷功率需求能夠快速響應(yīng)，但缺少傳統(tǒng)同步發(fā)電機的慣性和阻尼特性，容易導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)失穩(wěn)，并且無法主動管理配電網(wǎng)［7］。

基于上述問題，本文借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)同步發(fā)電機的唯一頻率特性，融合電源、電網(wǎng)、負荷三者之間的同步機制消除外界干擾，給出一種大規(guī)模風(fēng)電裝備VSG等效功率平抑及頻率補償方法，并基于110 kW的風(fēng)力發(fā)電機組對本方法進行了試驗驗證分析。

1　電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機模型分析

將電網(wǎng)接口等效為虛擬同步發(fā)電機，如圖1所示，虛擬同步發(fā)電機是參照同步發(fā)電機的二階經(jīng)典數(shù)學(xué)模型，模擬同步發(fā)電機阻抗大、慣性大、自同步等諸多優(yōu)點，使逆變電源具有同步發(fā)電機的輸出特性，滿足電網(wǎng)的運行要求［8］：

假定勵磁及機械轉(zhuǎn)矩為恒定，以標幺值表示的同步發(fā)電機二階經(jīng)典模型如下所示：

式中：Ud為定子端電壓的d軸分量；Uq為q軸定子端電壓；id為d軸定子電流；iq為q軸定子電流；Ed為定子d軸瞬變電動勢；Eq為定子q軸瞬變電動勢；ra為定子各相繞組的電阻；Xq為q軸瞬變電抗；Xd為d軸瞬變電抗；Tm為機械轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；D為定常阻尼系數(shù)；ω為同步電角速度；Tj為機組慣量時間常數(shù)；δ為q軸與xy坐標系中x軸之間的夾角。

式（1）中的電壓方程和轉(zhuǎn)矩方程分別表示同步發(fā)電機中定子的電氣特性和轉(zhuǎn)子的機械特性。假定Ed、Eq為常數(shù)，并忽略暫態(tài)凸極效應(yīng)，即令：

則可將上式中的電壓方程化為dq坐標下的復(fù)數(shù)量，即：

由式（1）、式（3）可得，電網(wǎng)接口電壓方程與同步電機定子端電壓方程大致相同，將圖1中電網(wǎng)接口的電路特性參數(shù)等效為同步發(fā)電機的電路特性參數(shù)，圖1為相應(yīng)的虛擬同步發(fā)電機等效模型。

圖1　虛擬同步發(fā)電機等效模型

結(jié)合式（1）可以得到同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程如式（4）所示［9］：

式中：Tm為同步發(fā)電機機械轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Pm為同步發(fā)電機機械功率；Pe為同步發(fā)電機電磁功率；ω為同步發(fā)電機電氣角速度；ωN為電網(wǎng)同步角速度；δ為同步發(fā)電機功角；J為同步發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量。

2　電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機控制

為了實現(xiàn)電網(wǎng)接口與電網(wǎng)的主動交互，根據(jù)電網(wǎng)的頻率、電壓調(diào)節(jié)其電網(wǎng)系統(tǒng)的有功和無功功率，本文提出VSG控制模型，用于大規(guī)模風(fēng)電系統(tǒng)電網(wǎng)接口。虛擬同步發(fā)電機的控制原理如圖2所示。

圖2　虛擬同步發(fā)電機控制原理框圖

2.1虛擬調(diào)速器

由于VSG采用算法模擬同步發(fā)電機的特性，沒有調(diào)速器等機械裝置，在設(shè)計虛擬調(diào)速器時，需要借鑒發(fā)電機調(diào)速器原理為原則。基于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)同步發(fā)電機頻率-有功功率的調(diào)節(jié)原理，確保電網(wǎng)系統(tǒng)有功功率和有功負荷的合理分配，同時將頻率維持在正常范圍內(nèi)。圖3為電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機調(diào)速器的控制框圖。

圖3　虛擬調(diào)速器控制框圖

由VSG調(diào)速器控制框圖可知：

式中：ωref為VSG的參考頻率，Pref為VSG的調(diào)度有功功率，Kω為比例系數(shù)。

當系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，輸入機械功率Pm與輸出電磁功率Pe相等，則：

對比式（5）和式（6）可見，所設(shè)計的VSG與同步發(fā)電機有著相同的功頻特性。

由式（6）可以得到：

由式（5）～式（7）可以得到帶調(diào)速器的VSG功頻特性曲線具有下垂特性，并且?guī)в泄β收{(diào)度接口，當VSG輸出功率為Pref時，頻率為ωref。曲線斜率為：

工頻特性曲線的斜率只與比例系數(shù)Kω有關(guān)，通過合理選擇Kω可以很方便的實現(xiàn)負荷有功功率的合理分配。

2.2虛擬勵磁控制

相比于傳統(tǒng)同步發(fā)電機通過勵磁控制器調(diào)節(jié)無功功率輸出和端口電壓，目前的虛擬勵磁系統(tǒng)能夠自動調(diào)節(jié)虛擬勵磁電流，穩(wěn)定有效的控制端口電壓和無功功率輸出，提高電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖4為虛擬勵磁控制框圖。

圖4　虛擬勵磁控制框圖

由VSG勵磁調(diào)節(jié)器控制框圖可以得到：

式中：Uref為VSG的參考電壓，Eok為激磁電動勢，Uok-VSG輸出電壓，UB為額定電壓，ω*為角頻率標幺值，Ke為比例系數(shù)。

VSG正常運行時，有ω*=1，則上式可化簡為：

上式即為帶勵磁調(diào)節(jié)器的VSG的電壓調(diào)節(jié)特性方程，相應(yīng)地可以得到曲線圖和定義調(diào)差系數(shù)，可見VSG具有與同步發(fā)電機完全相同的電壓調(diào)節(jié)特性，如圖5所示。

根據(jù)上述分析可知，電網(wǎng)接口采用虛擬同步發(fā)電機控制方案在無功功率調(diào)節(jié)方面完全不同于傳統(tǒng)的控制策略。其在保證無功功率跟蹤的同時，還能參與配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)，根據(jù)電壓的偏差為其接入的電網(wǎng)提供必要的無功支撐。

圖5　帶勵磁調(diào)節(jié)器的VSG電壓調(diào)節(jié)特性

2.3虛擬同步發(fā)電機控制技術(shù)

如前文所述，電網(wǎng)接口虛擬調(diào)速器可滿足風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)負荷有功功率需求，準確響應(yīng)頻率異常狀況，虛擬勵磁控制可以實時跟蹤無功功率，發(fā)送電壓指令響應(yīng)電壓異常狀況［10］。

基于式（3）、式（5）、式（9）建立電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機控制模型，包含機械和電氣部分，如圖6所示，其中虛擬同步發(fā)電機瞬時有功功率折算得到的虛擬電磁轉(zhuǎn)矩表達式為：

同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子位置角可由機械模型求得：

式中：Δω為角頻率偏差信號。

根據(jù)電磁模型和虛擬勵磁控制系統(tǒng)可得到虛擬同步發(fā)電機的電流期望值ir和瞬態(tài)電動勢Er以及PCC點電壓ug，同時發(fā)出電壓和電流的調(diào)節(jié)指令，滿足電網(wǎng)實時交互以及低諧波和高功率的運行特性。

3　實驗結(jié)果與分析

3.1試驗臺結(jié)構(gòu)及參數(shù)

為了驗證電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機控制方案的有效性，本文搭建了圖7所示的仿真試驗臺，圖中各參數(shù)如下所示。

圖7　仿真試驗臺

3.1.1試驗系統(tǒng)參數(shù)

試驗相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　試驗相關(guān)參數(shù)

3.1.2虛擬預(yù)并網(wǎng)同步控制

圖8為虛擬預(yù)并網(wǎng)同步控制矢量圖，鎖相環(huán)用來實現(xiàn)電網(wǎng)接口的柔性啟動，通過鎖相環(huán)可以得到ug空間位置角θg，同時通過控制er的d、q軸分量，使得：

通過式（13），即可實現(xiàn)er對ug的實時跟蹤。

圖8　虛擬預(yù)并網(wǎng)同步控制矢量圖

3.2試驗結(jié)果分析

通過仿真試驗臺，對虛擬同步發(fā)電機的重要特性參數(shù)進行測試，得到如下結(jié)論：

從圖9（a）中可以看出，隨著負荷的突變，直流母線電壓udc出現(xiàn)小范圍波動，在功率前饋作用下，歷時0.05 s進入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9（b）為突變過程中的電網(wǎng)接口輸出電流，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，接口電流在慣性和阻尼的雙重作用下變化平緩，大大減輕了負荷對電網(wǎng)的要求。

虛擬同步發(fā)電機的電磁和機械功率特性如圖9（c）所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，由于慣性和阻尼的作用，電磁和機械功率變化平緩，作為電網(wǎng)和負荷之間的橋梁，電網(wǎng)接口具有靈活、柔性、穩(wěn)定等優(yōu)良特性。

從圖9（d）中可以發(fā)現(xiàn)，隨著負荷的變化，電網(wǎng)接口的有功功率能夠快速響應(yīng)，同時跟隨無功功率指令，提供可靠的功率支撐和無功補償，相應(yīng)的控制策略為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的阻尼和慣性，使得電網(wǎng)接口具有與同步發(fā)電機相同的優(yōu)良控制性能。

圖9　VSG并網(wǎng)系統(tǒng)試驗結(jié)果

4　結(jié)論

本文基于虛擬同步發(fā)電機原理，提出一種主動調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓和頻率的大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)接口先進控制方法，同時通過110 kW風(fēng)力發(fā)電的試驗樣機對該方法的有效性進行了試驗驗證，得出了如下結(jié)論：（1）虛擬同步發(fā)電機控制技術(shù)具有優(yōu)良的負荷功率需求特性，提高了大規(guī)模風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性。

（2）虛擬同步發(fā)電機控制技術(shù)使得電網(wǎng)接口具有與同步發(fā)電機相同的優(yōu)良控制性能，同時可為電網(wǎng)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的慣性和阻尼，提高大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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李治中（1963-），男，河北張家口市，漢族，碩士，副教授，錫林郭勒職學(xué)院信息技術(shù)工程系，主要研究方向為物理教學(xué)，zhaozhe396@163.com；

哈立原（1964-），男，內(nèi)蒙古赤峰市，回族，碩士，教授，錫林郭勒職業(yè)學(xué)院、研究方向為數(shù)學(xué)教學(xué)。

The Research of the Control Method Based on Virtual Synchronous Generator

LI Zhizhong*，HA Liyuan
（Xilingol Vocational College，Information Technology Engineering Department，Xilingguole Inner Mongolia 026000，China）

With the massive popularity of wind power equipment，wind power system as access to key interfaces grid and grid-connected inverter grid system impact means more and more significant.Based on a mathematical model of synchronous generator，proposed an equivalent power of synchronous generator on virtual principles（Virtu?al Synchronous Generator，VSG）of stabilizing and frequency compensation method，the effectiveness of the method prototype test 110 kW wind turbines were experimental verification，the results showed that virtual synchronous generator control technology allows that synchronous generator grid interface has the same excellent control perfor?mance，inertia and damping，provide a stable grid system，and improve the stability of large-scale wind power grid system.

wind turbine systems；virtual synchronous generator；power to stabilize；frequency compensation；grid interface

TM464

A

1005-9490（2016）02-0432-05

EEACC：831010.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.037

2015-08-04修改日期：2015-09-09