基于頻率波動特征的虛擬同步發電機控制技術

摘 要：文章首先介紹了三相四線制虛擬同步發電機（VSG）的原理及系統結構，建立了三相四線制虛擬同步發電機（VSG）的仿真模型。同時，文章還提出一種新的基于波動特征參數的VSG控制方法，該方法能夠根據頻率的變化速率自動調整慣性大小，并兼顧系統的穩定性、動態性能與對功率脈動的抑制能力。最后搭建了試驗平臺，驗證了波動特征參數控制的有效性。

關鍵詞：虛擬同步發電機；功率控制；波動特征

引言

風電、太陽能等可再生能源通過并網逆變器轉化為交流電能饋入電網，并網逆變器是可再生能源發電系統與電網之間的能量變換接口。早期接入電網的分布式電源容量較小，對電力系統的影響較弱，因此當時的并網標準并不要求分布式電源參與電力系統的功率調節。隨著分布式電源接入電網的容量越來越大，對電力系統的穩定性、安全性造成較大影響。為了可以采用一定的控制技術，讓并網逆變器模擬同步發電機的特性，在保證自身穩定、安全和經濟運行的同時，還要為電網提供一定的功率支撐，以維持電網的穩定運行。

1 電力系統與虛擬同步發電機

同步發電機轉子的慣性能夠幫助電網穩定頻率，其基本原理如下：當電力系統的有功功率負荷突然減少時，電力系統中發電設備的輸出功率的響應分為慣性響應、一次調頻、二次調頻三個主要期間。在最初的慣性響應期間，系統中有功負荷消耗的功率大于同步發電機輸出的有功功率，因此，這些不平衡功率施加在同步發電機的轉子上，使其轉速上升。在這過程中轉子吸收一部分動能來抵消發電機發出的多余功率，從而導致電力系統的頻率上升；在一次調頻階段，電網頻率與其額定值的偏差超過一定值時（如0.02Hz），電力系統就開始一次調頻，同步發電機根據頻率偏差量Δf自動減少其輸出的有功功率，最終使得系統中的有功功率平衡；在二次調頻期間，當電力系統頻率發生偏差時，調頻電廠會根據頻率的偏差量調節其輸出的有功功率，使得電網頻率最終恢復到額定值。

圖1給出了電力系統有功負荷突然減少時，傳統的強慣性電網和高滲透下可再生能源的弱慣性電網的頻率響應的對比曲線。可見，為了保證高滲透率下的電力系統頻率與電壓幅值的穩定性，并網逆變器應能夠模擬同步發電機的慣性、一次調頻和一次調壓特性。基于這一思想，國內外學者提出了虛擬同步發電機（Virtual Synchronous Generator， VSG）的概念，VSG的基本思想在于通過控制使得并網逆變器模擬同步發電機的特性，即慣性、一次調頻特性和一次調壓特性。VSG技術有望解決分布式電源大規模接入電網所造成的穩定性問題，近年來受到了廣泛的關注。

2 VSG的模型與控制原理

采用VSG 控制的分布式并網單元容量較小，主動配電網的其他部分可以等效為無窮大母線，圖2為同步發電機的結構圖，圖3為VSG的主電路拓撲和控制結構，其中，Q1～Q6組成三相逆變橋，逆變器側電感L1、濾波電容C和網側電感L2構成LCL型濾波器。對比圖2和圖3，從并網逆變器主電路與同步發電機電氣部分等效的角度來看，可以認為并網逆變器輸出電壓va、vb、vc模擬同步發電機的感應電電勢，逆變器側電感L2模擬同步發電機的同步電抗。

畫出VSG有功環的控制框圖，如圖4所示。這樣，VSG的有功環完全模擬了同步發電機的慣性和一次調頻特性。對于同步發電機來說，只能通過調節其勵磁電流間接地調整其內電勢的幅值，其無功環只需要模擬同步發電機一次調壓特性即可，畫出VSG無功環的控制框圖，如圖5所示。這樣，VSG的無功環完全模擬了同步發電機的一次調壓特性。

從上面的分析可知，VSG的有功環和無功環模擬了同步發電機的特性。VSG的完整控制框圖如圖6所示。

根據VSG的控制框圖得到VSG在s域內的小信號模型，如圖7所示。

由VSG工頻頻域模型可知，VSG控制系統中含有雙閉環控制器結構，有功功率控制環與無功功率控制環，電力系統的頻率主要是由系統有功功率決定，系統電壓是由系統無功功率決定的，所以頻率與電壓的控制是近似解耦的。

3 基于波動特征參數的VSG協調控制

VSG控制系統中的微分環節是根據偏差的變化速度來產生調節作用的，增大微分控制作用可加快系統的響應速度，使超調量減小，增加系統穩定性。但微分作用對干擾十分敏感，使系統抑制干擾的能力降低。在VSG控制模型中，微分可以被差分所替代，即可以被離散化為輸入偏差，由于采樣周期很短，所以當偏差變化較慢時和在數值上幾乎相等，因此使得基本上為0。這就導致控制算法中的微分作用在離散化后有很大的微分死區，微分作用實際參與調節的范圍較小，影響了調節的效果。

波動特征參數控制法和常規控制方法相比在結構上又增加了兩個微分通道。三個微分通道的結構相同，但三個通道的采樣周期不同，三個通道的采樣周期分別為20ms、100ms、200ms。兩個通道以偏差變化速度值來切換。

通道一：當>x時，J=0.05kg·m2；

通道二：當y時，J=0.1kg·m2；

通道三：當時，J=0.15kg·m2。

式中，表示當前控制目標的變化率，通過跟蹤的變化率調整慣性常數J的值，根據上述慣性常數J的調整規則，就可以實現VSG控制系統精確控制。

4 仿真與分析

為了驗證波動特征參數優化設計的正確性，在實驗室搭建了一臺100kW的并網逆變器原理樣機，圖8、圖9、圖10采用不同慣性常數的動態實驗波形的實驗波形。

同步逆變器參與配網調節時對于電網電壓頻率的變化不會快速的改變其輸出功率，從而在一定程度上支撐電網電壓的穩定。圖4.13顯示了電網電壓頻率下降0.5Hz，輸出有功功率的動態性能隨著慣性系數J增加的變化情況。

由圖8～10可以得到當系統慣性系數J由0.05變化到0.15時，系統的動態調節時間由0.1s變化至0.75s，超調量由15%變化至78%?？梢钥闯鱿到y的慣性存在且隨著慣性系數J的增加而增加。同時可以發現隨著慣性系數J的增大，逆變器輸出有功功率的震蕩越發嚴重，因此通過文章提出的根據電網頻率波動的動態特性進行慣性自適應控制可以提高系統的穩定性。

5 結束語

文章介紹了VSG模擬了同步發電機的慣性，一次調頻特性和一次調壓特性，建立VSG的控制模型，并利用波動參數方法對VSG的控制模型進行設計、控制，并進行了實驗驗證，實驗結果證明了文章理論分析的正確性與設計方法的有效性，對虛擬同步發電機控制參數的設計具有一定的指導意義。

參考文獻

[1]杜威，姜齊榮，陳蛟瑞.微電網電源的虛擬慣性頻率控制策略[J].電力系統自動化，2011，35（23）：26-31.

[2]呂志鵬，盛萬興，鐘慶昌，等.虛擬同步發電機及其在微電網中的應用[J].中國電機工程學報，2014，34（16）：2591-2603.

[3]楊向真.微網逆變器及其協調控制策略研究[D].合肥工業大學，2011.

[4]Guerrero J， Vicuna L， Matas J， etal. A wireless controller to enhance dynamic performance of parallel inverters in distributed generation systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2004，19（5）：1205-1213.

[5]Morren J， Haan S， Kling W， Ferreira J. Wind turbines emulating inertia and supporting primary frequency control[J].IEEE Transactions on Power Systems，2006，21（1）：433-434.

[6]Chen Y， Hesse R， Turschner D， Beck H.Comparison of methods for implementing virtual synchronous machine on inverters[J].Proc. International Conference on Renewable Energies and Power Quality. Santiago de Compostela， Spain，2012：1-6.

[7]Zhong Q， Weiss G. Synchronverters： Inverters that mimic synchronous generators[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2011，58（4）：1259-1267.