基于虛擬同步發電機的光伏并網逆變器控制策略*

朱更輝， 陳國振， 韓耀飛(河南城建學院 電氣與控制工程學院， 河南 平頂山 467000)

基于虛擬同步發電機的光伏并網逆變器控制策略*

朱更輝， 陳國振， 韓耀飛
(河南城建學院 電氣與控制工程學院， 河南 平頂山 467000)

針對采用常規恒功率控制方式下的光伏并網逆變器缺乏電壓和頻率動態調節能力的問題，提出一種基于虛擬同步發電機(VSG)的光伏并網逆變器控制策略.根據同步發電機的原理，建立同步發電機的并網等效電路和矢量關系表達式，設計了有功頻率控制算法和無功電壓控制算法，搭建了虛擬同步發電機控制策略下的光伏發電系統.在Matlab/simulink環境中建立了10 kW的光伏并網系統.仿真結果表明，基于虛擬同步發電機的光伏并網逆變器具有與同步發電機相似的調頻調壓特性，能夠較好地適應電網運行要求.

光伏逆變器； 虛擬同步發電機； 等效電路； 矢量關系； 有功頻率； 無功電壓； 調頻； 調壓

隨著能源危機的不斷加劇，以太陽能和風能為代表的可再生能源得到了越來越廣泛的關注，其中太陽能因具有綠色環保、資源豐富等優點，成為了新能源發電的一種重要利用形式.然而，光伏并網發電系統與傳統火電機組發電相比具有較大的差異，光伏逆變器是由大量電力電子元件組成，雖然具有較快的響應速度和靈活的調節能力，但缺乏發電機組的固有慣性環節，其大規模接納會帶來很多問題，輸出功率的隨機波動會引起電壓頻率的不穩定，情況嚴重時會引起大規模光伏發電的連鎖脫網，為電力系統的安全穩定運行帶來較大的隱患[1-2].

針對如何提高光伏發電系統的電壓頻率調節性能以增強電網對其接納能力的問題，國內外學者開展了廣泛研究.文獻[3]提出一種基于最小階觀測器的頻率控制策略，該策略可自動分擔負荷以達到同步發電機慣性的目的，但會引起復雜的電網動態特性；文獻[4-5]提出了一種無功功率閉環控制策略，在很大程度上避免了無功環路引起的功率振蕩問題，但同時也存在復雜動態特性的問題；文獻[6-7]根據同步發電機的功率分攤特性，提出了有功頻率和無功電壓的下垂控制策略，使并網逆變器無需通信即可實現輸出功率的調節，但是該策略沒有考慮轉子慣性的特性，不具備發電機慣性和阻尼特性.為完全模擬同步發電機的運行特性，虛擬同步發電機(virtual synchronous generator，VSG)的基本概念被提出[8-9]，其基本思想是根據同步發電機基本控制理論，將逆變器的控制策略加以改進，使其可模擬同步發電機的輸出調節特性.

本文根據同步發電機的轉子運動方程和磁鏈方程來設計改進光伏并網逆變器的控制環路，使其具備主動調頻調壓能力，以模擬同步發電機的一次調頻和勵磁調壓特性.在Matlab/simulink環境中建立基于虛擬同步發電機的光伏發電系統，驗證了控制策略的有效性.

1 同步發電機原理

首先分析同步發電機的矢量關系，其并網等效電路及電壓電流向量關系如圖1和圖2所示.圖1中Us為同步發電機的等效內部電動勢，R、L分別為同步發電機并網等效電阻及電感，Ug為并網電壓，Ig為同步發電機輸出電流.圖2中φ為同步發電機與電網之間的相位角，X為電抗，同時假設電網電壓方向與d軸同方向，q軸與d軸垂直.

圖1 同步發電機并網等效電路Fig.1 Grid-connected equivalent circuit of synchronous generator

圖2 同步發電機并網矢量關系圖Fig.2 Grid-connected vector relation of synchronous generator

將電壓和電流信號分別分解到dq軸上，可以求出并網輸出電流在dq軸上的數學表達式為

(1)

式中：Y為導納矩陣；Usd、Usq為同步發電機內電勢的直軸分量；Ugd、Ugq為電網電壓的直軸分量.相應表達式分別為

(2)

(3)

相位角φ可表示為發電機轉子角速度ω與電網系統角速度ωg差的積分，即

(4)

在實際同步機發電系統中轉子的角速度ω一般是由調速器決定的，與有功和角頻率有關；而內部的電動勢一般是由勵磁調節系統決定的，與無功和電壓有關.因此，可根據同步發電機的運動方程，將調速器一次調頻模型和勵磁調壓模型特性模擬到光伏逆變器的控制電路中，從而使光伏逆變器具有與同步發電機相一致的響應特性.

2 虛擬同步發電機控制算法

由上述分析可知，光伏并網逆變器在模擬同步發電機控制時，應構造有功頻率和無功電壓兩個控制器.其中，有功頻率控制器主要反應的是同步發電機的機械慣性以及阻尼特征，無功電壓控制器則模擬的是同步發電機的電壓調節特性.

2.1 有功頻率控制算法

在常規電力系統中同步發電機具有一定的慣性，頻率不會發生突變，根據同步發電機的轉子運動方程[10]，在光伏并網逆變器控制電路中引入虛擬慣性控制來模擬同步發電機的轉子運動方程，其功率和頻率控制方程為

(5)

式中：H為虛擬慣量常數，與同步發電機的轉動慣量J相對應[10]；Pi和Po為光伏逆變器的輸入和輸出功率；Kd為阻尼系數.

(6)

式中：Pref為有功參考值；Dp為有功功率的下垂系數.

根據式(5)和式(6)可求得光伏并網逆變器的調速器模型，其有功功率與頻率的傳遞函數為

(7)

有功功率與頻率控制框圖如圖3所示.

圖3 有功功率頻率控制原理框圖Fig.3 Principle diagram of active power-frequency control

由圖3可以看出，當頻率發生微小波動時，系統可保持轉子運動特性，且可提供附加的功率以減小系統的頻率波動，從而實現系統頻率支撐功能.阻尼模塊可使逆變器頻率與電網頻率保持一致.

2.2 無功電壓控制算法

采用相同的方法，根據同步發電機的勵磁調節系統[10]，設計光伏并網逆變器的無功功率和電壓控制算法，結果如圖4所示.

圖4 無功功率電壓控制原理框圖Fig.4 Principle diagram of reactive power-voltage control

(8)

PI控制器控制無功功率的輸出大小，而延時環節則可防止無功波動太快而帶來的不利影響，減小特定條件下的系統沖擊.

2.3 整體控制算法

基于虛擬同步發電機的光伏并網控制策略框圖如圖5所示.為了更好地研究光伏逆變器的VSG控制算法，忽略了儲能的動態響應，在慣性調節期間，可通過設置儲能的輸出來保證逆變器的輸出功率與輸入功率是不相等的.

圖5 虛擬同步發電機控制框圖Fig.5 Control diagram of VSG

3 仿真驗證

為了驗證本文所提虛擬同步發電機控制策略的有效性，在Matlab/simulink軟件上搭建了虛擬同步發電機控制下的光伏并網發電系統.系統參數為：額定功率PN=10 kW，Ug=380 V，逆變器直流電壓Ud=800 V，直流側電容C=8 000 μF，逆變器濾波參數L1=4 mH，L2=0.5 mH，C0=15 μF，電阻R=0.01 Ω，開關頻率f=2 000 Hz，H=1/3 000，Dp=16.2，Dq=545.

電網穩定運行時虛擬同步光伏逆變器并網仿真結果如圖6～8所示，1 s時有功指令由0 W增加至10 000 W，3 s時無功指令由0 Var增加至2 000 Var.從仿真結果可以看出，虛擬同步發電機能夠快速精確地跟蹤指令值，并維持在穩定運行狀態.

圖6 光伏并網逆變器輸出功率Fig.6 Output power of photovoltaic grid-connected inverter

圖7 光伏并網逆變器輸出電壓Fig.7 Output voltage of photovoltaic grid-connected inverter

圖8 光伏并網逆變器頻率Fig.8 Frequency of photovoltaic grid-connected inverter

電網電壓及頻率波動時虛擬同步光伏逆變器并網仿真結果如圖9～10所示.

圖9 電網電壓跌落5%時的逆變器輸出功率Fig.9 Output power of inverter with grid voltage dropping by 5%

圖9為當2 s時電網電壓跌落5%時的并網逆變器輸出有功功率和無功功率.由圖9可知，并網逆變器的輸出無功功率快速跟蹤電壓的變化，有功功率不變.圖10為當2 s時電網頻率躍升0.2 Hz時并網逆變器輸出有功功率和無功功率.由圖10可知，并網逆變器的輸出有功功率快速跟蹤頻率的變化，無功功率不變.因此該系統具有同步發電機的暫態調節特性，其控制器能夠有效模擬同步機特性.

圖10 電網頻率上升0.2 Hz時的逆變器輸出功率Fig.10 Output power of inverter with grid frequency increasing by 0.2 Hz

4 結 論

本文分析了虛擬同步發電機的基本原理和并網等效矢量關系圖，根據同步發電機的調速器和勵磁調壓特性，設計了光伏并網逆變器的虛擬同步發電機控制算法，并在Matlab/simulink環境中搭建了仿真模型，對提出的控制算法進行了驗證.仿真結果表明，并網逆變器輸出電壓和頻率能夠通過無功電壓控制環和有功頻率控制環直接調節，結合同步發電機轉子運動方程，使并網逆變器較好地模擬了同步發電機的慣性響應能力.提出的控制策略能夠提高并網系統的電壓頻率調節能力，有利于系統的穩定運行.

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(責任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

Control strategy of photovoltaic grid-connected inverter based on virtual synchronous generator

ZHU Geng-hui, CHEN Guo-zhen, HAN Yao-fei
(School of Electrical and Control Engineering, Henan University of Urban Construction, Pingdingshan 467000, China)

Aiming at the problem that the photovoltaic grid-connected inverter in conventional constant power control mode lacks the dynamic adjustment ability of voltage and frequency, a control strategy of photovoltaic grid-connected inverter based on virtual synchronous generator (VSG) was proposed. According to the principle of synchronous generator, the grid-connected equivalent circuit and vector relation expression of synchronous generator were established, the active frequency control algorithm and reactive voltage control algorithm were designed, and the photovoltaic power generation system based on the control strategy of VSG was established. The 10 kW photovoltaic grid-connected system was established in Matlab/simulink environment. The simulated results show that the photovoltaic grid-connected inverter based on VSG has the similar frequency and voltage regulation characteristics with the synchronous generator, and can well adapt the requirements of grid operation.

photovoltaic inverter; virtual synchronous generator; equivalent circuit; vector relation; active frequency; reactive voltage; frequency regulation; voltage regulation

2016-11-25.

河南省科技廳科技攻關項目(162102210098).

朱更輝(1979-)，男，河南郟縣人，講師，碩士，主要從事電力系統運行與控制等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.04.02

TM 615

A

1000-1646(2017)04-0366-05

*本文已于2017-06-21 21∶19在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170621.2119.010.html