基于自適應下垂特性的虛擬同步發電機控制策略

林巖，張建成

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北省保定市 071003)

基于自適應下垂特性的虛擬同步發電機控制策略

林巖，張建成

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北省保定市 071003)

基于虛擬同步發電機(virtual synchronous generator，VSG)控制的光儲單元可用于組建獨立微網，并為微網穩定運行提供有力支撐。但由于分布式電源輸出存在波動性和間歇性的問題，在長期運行過程中，功率供需不平衡將會導致儲能設備的荷電狀態超過安全運行范圍。針對該問題，將根據荷電狀態調整下垂系數的方法拓展到VSG控制之中。通過分析發現，改變下垂系數難以有效實現控制目標，且可能造成系統失穩。通過引入自適應下垂特性的概念，使用平移下垂特性的方法對VSG控制做了進一步改進，改進后的VSG控制減少了對系統穩定性的影響，更有利于實現有功功率的合理分配與荷電狀態的快速調整。通過Matlab/Simulink工具搭建了仿真模型，對相關分析和所提策略進行了系統仿真和方法驗證。

虛擬同步發電機；下垂特性；光伏微網；自適應控制；超級電容器

Control Strategy of Virtual Synchronous Generator Based on Adaptive Droop Characteristic

0 引 言

微網是由分布式電源(distributed generator，DG)、儲能設備、能量變換裝置和負載等組合而成的有機整體[1]，能夠與大電網互為支撐，協調分布式發電與電網穩定運行之間的矛盾[2]。

分布式電源一般通過逆變器接口與微網相連，逆變器的控制方法是微網的重要研究內容之一[3]。尤其在孤島運行時，失去了電網的支撐，微網必須自行對電壓和頻率進行調節[4]，逆變器控制策略的選擇就顯得更為重要。

下垂控制技術通過模擬同步發電機的有功-頻率和無功-電壓下垂關系，使其控制下的微源無需高頻通信即可完成負荷分配，具有靈活性和冗余性的優點，因而在微網中得到了廣泛的應用[5-7]。但下垂控制并未能夠解決分布式電源缺乏慣性的問題，由其組成的微網仍是一個“弱慣性”的系統[8-9]。

為解決分布式電源大規模應用引起的電網穩定性問題，歐洲學者在虛擬同步機項目中率先提出了虛擬同步發電機(virtual synchronous generator，VSG)的概念[10]，通過引入同步發電機二階等效模型，使分布式電源能夠表現出虛擬的慣性和阻尼特性，并平抑頻率的快速波動[11-12]。

在實際微網中，由于光伏等發電方式存在間歇性和不穩定性等問題，為實現虛擬同步發電機的功能，保障微網的供電穩定性和可靠性，必須在微網中配置適量的儲能設備[13-14]。傳統的VSG控制通常以直流電源來等效分布式電源和儲能設備[15]。文獻[16-17]提出在直流側裝設儲能單元，并通過引入下垂控制環節，使VSG能同時工作于并網/離網模式，但并未對儲能與VSG的配合關系展開研究。針對下垂控制，文獻[18]中提出，根據荷電狀態改變下垂控制系數調整有功負載的分配關系的思想。在此基礎上，文獻[19]提出了一種適用于直流微網的基于儲能單元荷電狀態的下垂控制改進方法。文獻[20-22]均對應用于交流微網中的下垂控制進行了改進，但文獻[20-21]未對分布式電源建模，忽略了分布式電源輸出變化對微網的影響。文獻[22]中根據風速區整定下垂系數的方法難以應用于光伏微網中。文獻[23]提出了一種分段調節下垂系數的下垂控制方法，將光伏電源與儲能組合為混合單元，通過協調控制使混合單元能夠主動調整運行工作點，在實現荷電狀態調整的同時，有效限制了頻率的變化區間，但仍然是通過整定有功下垂系數的方法來進行調節。

在以上研究的基礎上，本文將根據荷電狀態改變有功分配的方法擴展到VSG控制當中，分析使用自適應下垂系數方法時存在的問題，提出自適應下垂特性的概念，進一步改進VSG控制。

1 下垂控制與VSG控制

以圖1所示的、包含2臺并聯逆變器的典型光伏交流微網為例。其中，DG1的直流側由光伏電源和超級電容器組成光儲發電單元，逆變器采用本文所提控制策略。DG2為采用一般VSG控制的發電單元。

圖1 光伏獨立微網結構Fig.1 Photovoltaic isolated microgrid structure

當逆變器采用一般的下垂控制和VSG控制時，其有功-頻率控制方程可以表示為：

kω(ωref-ωg)+Pref-Pe=2Hs(ω-ωref)+D(ω-ωg)

(1)

kp(Pref-P)+ω0=ω

(2)

式中：Pref、Pe為有功功率參考值和虛擬電磁功率；ωg和ωref為交流母線角頻率和角頻率參考值；H和D為虛擬的慣性時間常數及阻尼因子；kω與kp分別為VSG和下垂控制中的有功下垂系數。

Pm=kω(ωref-ωg)+Pref

(3)

式(3)為模仿同步發電機調節原理構成的功頻調節器，使VSG能夠參與一次調頻，Pm為虛擬機械功率。

假設線路呈感性，建立離網模式下的VSG小信號模型：

-kωΔωg-ΔP=JsΔω+D(Δω-Δωg)

(4)

根據潮流計算公式：

(5)

整理后得到：

(6)

同理可得下垂控制的小信號模型：

(7)

令s=0，可知加入功頻調節器后，VSG在離網模式下表現出與下垂控制一樣的有功-頻率下垂關系，且kω與kp，亦即一般的下垂特性斜率之間，成倒數關系?？梢詫⑾麓箍刂埔暈镠=0，D=0時的VSG控制[24]。

2 自適應VSG控制

2.1 自適應調整下垂系數

為根據光儲單元的儲能荷電狀態合理分配有功負載，并將微網頻率控制在預設區間內，采用文獻[23]中提出的分段式下垂特性曲線。

如圖2所示，將下垂特性曲線分為位于角頻率上下閾值的水平直線段和位于區間內的斜線段。斜線段的斜率m=Δωmax/Ppv，由頻率最大偏差值和光伏電源輸出功率共同決定，隨光伏出力動態調整。

圖2 分段式自適應下垂特性曲線Fig.2 Multi-segment adaptive droop characteristic curve

當光伏出力無法滿足微網中的有功負載需要時，VSG控制進入下閾值水平段，控制儲能設備放電彌補微網中的功率缺額。

將自適應調整下垂系數的方法拓展到VSG控制中，設計得到VSG控制框圖如圖3所示。

圖3 基于自適應下垂系數的VSG控制Fig.3 VSG control based on adaptive droop coefficient

采用基于自適應下垂系數的VSG控制后，光儲單元能夠根據超級電容器荷電狀態工作于如表1所示的4種工作模式。

表1 系統工作模式
Table 1 System operation mode

由于本文側重于逆變器控制的研究，因此不對模式III作進一步分析。

圖4 自適應調整下垂系數Fig.4 Adaptive droop coefficient

系統工作于模式IV時，為避免超級電容器因過放損壞，應將光伏電能優先用于充電，為此通過Δkmin環節減小kω值，等效地增大下垂特性曲線的斜率，減少DG1承擔的負載。

同時，通過對PI1、PI2的輸出幅值進行限制，保證Δkmin、Δkmax在工作模式I下不會造成干擾。

采用基于自適應下垂系數的VSG控制后，雖然由于引入虛擬慣性環節，提高了頻率的動態響應效果，但依然存在以下幾個問題。

(1)觀察式(6)可知：等式右側第1項表現為低通濾波形式，使得Δω與ΔP間形成下垂關系；第2項表現為高通濾波形式，將對頻率動態變化造成高頻干擾。假設DG1與DG2的下垂斜率分別為m1、m2，在工作模式II下，當微網負載與光伏出力接近時，根據有功分配關系，只有在m1遠小于m2時，才能夠實現PMPPT的全部輸入。相應地在VSG控制中，kω值必須足夠大，否則充電功率無法減小至0，超級電容器將保持充電狀態，難以有效實現荷電狀態控制。若微網中存在電量不足的單元，則低電量單元必須保持一定的功率輸出，也不利于其荷電狀態的恢復。而當kω足夠大時，高頻干擾項的作用將得到顯著增強，微網頻率不僅無法達到ωref，還將發生小范圍的持續抖動。因此，VSG在kω的取值問題上存在矛盾。

(2)文獻[25]指出，在下垂控制中，若下垂系數取值過大，將會對系統的穩定性造成影響。為此文獻[23]限制了下垂系數的最大取值，也相應地限制了DG的最小出力。在工作模式IV下，光儲單元將無法充分利用光伏電能對自身荷電狀態進行調整。在VSG控制中，虛擬阻尼項增強了系統的抗干擾能力，但在D的取值偏大或偏小時，同樣可能引起系統失穩，或使高頻干擾項作用增強，因而對D值的選取形成了一定的制約。可見，采用下垂系數自適應方法不能很好地通過有功功率重新分配，達到荷電狀態調整的目的，甚至可能對系統穩定性造成影響。為此本文提出了一種下垂特性自適應的方法。

2.2 自適應調整下垂特性

自適應下垂特性的原理如圖5所示。系統工作于模式I時，仍采用第2.1節中的分段式下垂特性曲線。但當系統從模式I過渡到其他模式時，不再使用改變下垂斜率的方法，而是通過平移整個下垂特性曲線來進行調整。

圖5 自適應調整下垂特性Fig.5 Adaptive droop characteristic

當系統進入工作模式II時，沿水平方向向右平移下垂特性曲線，使VSG輸出增大，分配有功增加；當系統工作于模式IV時，向左平移特性曲線以減小VSG輸出，由剩余能量較多的單元優先承擔負載。通過水平移動下垂特性曲線的方法，同樣能夠達到改變系統運行工作點、重新分配有功的目的，且調整過程中，kω僅隨光伏出力變化，從而避免了大幅度改變下垂系數時可能出現的問題。

據此設計基于自適應下垂特性的VSG控制框圖如圖6所示。由于特性曲線平移過程當中可能出現ω工作于ωref上方的情況，為保證微網頻率不超過正常運行范圍，需要對ω的上下閾值都進行限制，由此得到三段式的有功-頻率下垂特性。

圖6 基于自適應下垂特性的VSG控制Fig.6 VSG control based on adaptive droop characteristic

VSG參考功率Pref=Pmax+Pmin，當儲能設備的荷電狀態處于正常范圍時Pref輸出值為0，即系統正常工作時下垂特性不進行平移。通過限幅環節限制了Pmin、Pmax對特性曲線的平移方向，Pmin僅能向左平移，Pmax僅能向右平移。

向左平移下垂特性時VSG還能從微網中吸收多余能量，這也是通過調整下垂系數所無法實現的。但本文考慮優先利用光伏電能充電，因此將PI4幅值下限設置為-kωω，當PI4輸出幅值下限時，Pm=0，VSG與微網間不進行能量交換。

值得注意的是，通過平移實現自適應調整下垂特性的方法不僅可以用于VSG控制，同樣也適用于下垂控制。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink平臺搭建如圖1所示微網仿真模型對所作分析和所提控制策略進行驗證。光伏陣列采用英利公司的YL250P-29b型號光伏電池板，具體參數見表2。

表2 光伏電池參數
Table 2 Parameters of PV cell

超級電容器組由25個MAXWELL公司的16 V小型超級電容器電池模塊(16 V/cell，58 F/cell)串聯而成，等效電容為2.32 F，等效串聯內阻為550 mΩ。將超級電容器的絕對/相對工作電壓區間分別設定為(200 V，400 V)/(230 V，380 V)。將微網頻率的工作區間設定為49.6～50 Hz，其余控制參數見表3。

表3 VSG控制參數
Table 3 Control parameters of VSG

3.1 工作模式I

微網負載為15 kW，設定0～20 s光照強度發生連續波動，得到采用VSG控制時的仿真結果。保持實驗條件不變，將DG1、DG2的逆變器控制方法改為下垂控制，再次進行仿真。圖7為采用VSG控制和下垂控制時的仿真結果對比。

從圖7可以看出，采用VSG控制時，微網的頻率調節呈現為一個緩慢變化的過程，動態響應效果優于下垂控制。使用分段式下垂特性后，通過控制超級電容器充放電，微網頻率也被有效控制在設定范圍內。

圖7 模式I下的VSG與下垂控制對比Fig.7 Comparison of VSG and droop control under mode I

3.2 工作模式II

將光照強度設定為1 000 W/m2，DG1中光伏輸出功率為10 kW，微網負載為10 kW，圖8為分別采用不同VSG控制時的仿真實驗結果對比。

仿真開始后，超級電容器電壓持續上升，4.7 s時達到380 V。采用下垂系數自適應控制時，由于kω值不夠大，DG1輸出小于10 kW，超級電容器充電功率大于0 kW，超級電容器電壓升高，使得kω進一步增大。

圖8 模式II下的不同VSG控制方法對比Fig.8 Comparison of different VSG control methods

隨著以上過程的重復，10 s后高頻干擾項作用趨于明顯，引發了VSG角頻率和微網頻率抖動，頻率波動又對功率造成影響。隨著時間的推移，系統失穩程度將不斷加劇。

另一方面，由于通過自適應調整下垂系數的方法無法有效控制超級電容器電壓，整個過程當中超級電容器一直處于充電狀態，將損耗設備的使用壽命。隨著超級電容器電壓的升高，系統必將進入工作模式III，受功率波動的影響，還有可能導致系統在模式II和模式III之間頻率切換。

而采用平移調整的方法自適應地下垂特性自后，DG1的有功輸出隨特性曲線的平移迅速達到 10 kW，超級電容器電壓在6 s時達到382 V后保持穩定，不再進行充放電，微網頻率升高至50 Hz，調節過程穩定而迅速。

由此證明，在儲能設備電量接近飽和時，采用基于下垂特性自適應的VSG控制，能夠在保證系統穩定性的條件下，更好地分配微網負載，實現對荷電狀態的調整。

3.3 工作模式IV

設定微網負載為20 kW，7 s時負載減為8 kW，光照強度保持1 000 W/m2，圖9為仿真結果。

圖9 模式IV下的VSG與下垂控制對比Fig.9 Comparison of VSG and droop control under mode IV

由于光伏輸出小于微網負載，為彌補功率缺額，微網頻率降至49.6 Hz，超級電容器持續放電，端電壓在3.9 s時低于230 V。

采用下垂控制時，在未對kp進行限制的情況下，為盡可能減少DG1輸出，下垂系數必須足夠大。系統穩定裕度隨kp增大而減小，微網的頻率和功率均出現劇烈波動，直到超級電容器電壓回到相對下限后，系統才因kp減小而恢復穩定。

采用自適應下垂特性的VSG控制后，由于7 s前系統工作在水平直線段，無法立刻調整荷電狀態，且Pmin處于設定下限。因此在負荷驟減時，頻率出現了一個階躍響應，但系統隨即恢復穩定，并將光伏電能全部用于超級電容器充電，進而完成對荷電狀態的調整，整個過程中未發生穩定性問題。

證明在儲能設備電量低下時，采用基于自適應下垂特性的VSG控制不必對功率輸出下限進行嚴格約束，給有功分配提供了更大的調節裕度，更有利于荷電狀態的快速調節。

4 結 論

本文將基于荷電狀態調整下垂系數的方法拓展到VSG控制中，得到了自適應VSG控制方法。通過分析得到，單純地改變下垂系數既限制了有功的調節范圍，還可能給系統帶來穩定性問題。在此基礎上，提出了一種自適應下垂特性的概念，對VSG控制作了進一步改進。當儲能設備荷電狀態超過正常運行范圍時，通過平移下垂特性曲線的方式來實現對有功分配關系的調整。

仿真結果表明，基于自適應下垂特性的VSG控制避免了改變下垂系數時可能造成的系統穩定性問題，能夠更為有效地實現有功功率分配與荷電狀態調整的目的，改進后的VSG控制下的光儲單元能夠支撐光伏微網持續穩定運行。

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(編輯 蔣毅恒)

LIN Yan, ZHANG Jiancheng

(School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University,

Baoding 071003, Hebei Province, China)

The photovoltaic-energy storage unit, based on virtual synchronous generator (VSG) control, can be used to form island microgrid, and provide forceful support for the stable operation of microgrid.However, the imbalance between power consumption and generation in the cycle of running, will get the state of charge (SOC) of energy storage equipment beyond its safe operation region, due to the fluctuation and intermittent of distributed generator output.According to this issue, the method of adjusting droop coefficient according to SOC is introduced into the VSG control.Through analysis, it is found that it may be difficult to achieve the control target by changing the droop coefficient.During the regulating process, the system can even lose its stability.By introducing the concept of adaptive droop characteristic, further improvement of VSG control is made by translating the whole droop characteristic.The improved VSG control reduces the impact on system stability.The reasonable allocation of active power and the fast adjustment of SOC can be realized more effectively.Relevant theoretical analysis and proposed scheme are verified by the simulation system built with Matlab/Simulink simulation tool.

virtual synchronous generator; droop characteristic; photovoltaic microgrid; adaptive control; supercapacitor

國家自然科學基金項目(51177047)；河北省科技計劃項目(16214504D)

Project supported by National Natural Science Foundation of China(51177047)

TM 71

A

1000-7229(2016)09-0115-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.09.016

2016-06-18

林巖(1991)，男，碩士研究生，研究方向為光伏發電系統運行控制技術；

張建成(1965)，男，教授，博士生導師，研究方向為新型能量儲存技術、電能質量控制技術和新能源發電控制技術。