基于模糊控制的虛擬同步發電機并網策略研究*

楊旭紅, 薛 冰

(上海市電站自動化重點實驗室 上海電力學院自動化工程學院,上海 200090)

基于模糊控制的虛擬同步發電機并網策略研究*

楊旭紅, 薛 冰

(上海市電站自動化重點實驗室 上海電力學院自動化工程學院,上海 200090)

在基于虛擬同步發電機三相逆變器控制的基礎上，利用電容電壓和電流反饋，構成雙環控制系統。其中，電流環和電壓環都采用比例積分控制。但是，傳統的雙環控制存在精度不高且響應速度較慢等缺點，而模糊控制具有根據系統實時性產生的非線性系統誤差的大小，進行在線調節參數的功能。在此基礎上，提出了一種基于雙環控制和模糊PI相結合的虛擬同步電機控制策略，并搭建了相應的模型。詳細分析了加入模糊之后雙環控制的參數整定，并通過仿真研究來證明所提方法的有效性。

虛擬同步發電機；三相逆變器；雙環控制；模糊控制；轉動慣量

0 引 言

隨著經濟的快速發展，全球能源危機日益加強,同時，煤、石油等傳統能源對環境的污染日益加重，因此，對新能源分布式發電的合理應用越來越受關注。由于大多數分布式能源發電都通過逆變器接入電網，所以逆變器控制技術的研究顯得尤為重要[1-4]。

隨著更多控制方法的研究與應用，一些更為先進的控制策略被逐步應用在系統中。其中，智能控制被越來越廣泛的應用。

目前，在三相逆變器并網情況下，對并網電流的控制研究主要集中在并網穩態控制方面。其中，常見的電流控制主要包括PI控制、模糊控制、專家控制等。

虛擬同步發電機(Virtual Synchronous Generator，VSG) 技術[1-3]，是在以電力電子逆變器并網的分布式發電系統基礎上，借助配備相應的儲能環節，并采用適當的并網逆變器控制算法，使基于并網逆變器的分布式電源從外特性上模擬或部分模擬出同步發電機的頻率及電壓控制特性，進而改善分布式系統的穩定性。

文獻[4]提出一種基于VSG的微電網，既能連接大電網運行,又能實現孤島運行時頻率的無差控制。文獻[5]在二階機電暫態模型的基礎上，設計了一種功率-電壓-電流三環控制結構,并對三環控制系統進行一次調頻和二次調頻。文獻[6]在 VSG 模型基礎上，將大電網中的一次調頻、二次調頻等理論引入微電網中，分別給出了并網運行和孤島運行模式下微電網控制方法。

本文在VSG二階模型的基礎上，設計了電流-電壓雙環控制。其中，電壓外環通過PI控制，來提高系統的動態響應；電壓外環的輸出電流作為電流環的參考電流，電流環在比例積分控制的基礎上，通過加入模糊控制來提高系統的響應速度。模糊控制是根據非線性系統的相應誤差，進行在線參數調整，從而達到控制目的。為驗證該方法的正確性，對參數進行了詳細分析，并就轉動慣量對有功功率和無功功率的影響進行了分析，最后通過對控制系統的仿真試驗，驗證該方法的可行性。

1 VSG模型

在試驗過程中，同步發電機通常會被簡化為二階模型、三階模型或五階模型。因此，為減小同步發電機內復雜的耦合關系，本文以二階模型為基礎，作為VSG的控制算法[5]。

R——定子電樞電阻；

X——同步電抗；

J——同步發電機轉動慣量；

ω——電氣角速度；

ω0——電網同步角速度；

Tm——同步發電機機械轉矩；

Te——同步發電機電磁轉矩；

Td——同步發電機阻尼轉矩；

D——阻尼系數，取零。

三相逆變器在VSG算法下的結構如圖1所示。

圖1 VSG結構框圖

圖1為典型并網逆變器拓撲結構，并網逆變器的輸出電感可等效為同步發電機的同步電感。有功調節是通過對VSG虛擬機械轉矩Tm調節進行的[7]，并且通過對調頻器的控制來實現對電網頻率偏差的影響；無功調節是通過對同步發電機的勵磁調節進行的，可通過虛擬電勢來調節極端電壓和無功功率。

VSG輸出的有功功率P和無功功率Q可由式(2)計算[8]：

式中:R——等效阻抗；

X——電抗；

E——勵磁電壓；

U——定子端電壓；

從式(2)可以看出，有功功率和無功功率主要受等效阻抗、電抗、勵磁電壓等影響。也可以看出虛擬同步發電機的有功功率和無功功率變化不同于傳統的并網逆變器。有功功率和無功功率的變化還與接入頻率的偏差有關。

2 雙環控制

從系統的穩定性進行分析，可以看出基于并網電流單環控制無法使系統穩定運行[9],采用電感電流作為內環電流反饋的控制對系統穩定性沒有明顯的改善。因此采用電容電流作為內環反饋、電容電壓作為外環反饋的雙環控制，在選擇合適的內外環控制器參數情況下完全能夠使系統穩定運行。同時，為使逆變器有更好的抗干擾能力和較快的動態特性，采用電壓外環和電流內環的雙環控制[10]。雙環控制框圖如圖2所示。

圖2 雙環控制框圖

從圖2中可以看出Kup+Kui/s為電壓環的PI控制，Kip+Kii/s為電流環的PI控制，Kpwm為逆變器等效放大系數，Kic為電流反饋，Kuc為電壓反饋。

在雙環控制中，為使輸出的電壓波形快速跟蹤并達到穩定值，電壓外環采用比例積分控制。電壓環輸出的電流作為電流環的參考電流，電流內環也采用比例積分控制，其中比例環節用來增加逆變器的阻尼系數，并提高系統工作的穩定性；積分環節降低電流環穩態誤差。這樣雙環控制下的系統動態響應快、誤差小[11]。

電流內環部分的傳遞函數為

電壓外環部分的傳遞函數為

雙環控制系統在進行參數設計時，需要考慮內外環控制之間響應速度、頻率以及其之間相互影響的問題。因此參數設計較復雜，需要大量的反復試驗。

3 模糊控制

采用雙環控制后，系統的穩態性增強，但是響應速度下降。因此，加入模糊控制，對參數進行實時調整，提高系統的動態性能[12]，加快系統的響應速度。

模糊控制不需建立復雜的數學模型，控制靈活適應性強，而且是一種非線性控制，可以總結控制行為，把相關控制行為規律用模糊語言固化為模糊控制規則，從而進行控制的一種控制方式[13]。

模糊控制的原理圖如圖3所示。通過對電網電流的實時值與給定值相比較[14]，將所得到的誤差e與誤差的變化率ec送入模糊推理機，經過模糊規則處理，得到ΔKp和ΔKi，然后將得到的ΔKp和ΔKi輸入到PI控制器中與設定的Kp0和Ki0進行模糊處理，然后輸出Kp和Ki。

圖3 模糊控制原理圖

根據誤差e和誤差率ec的模糊控制規則如表1所示[15]。

表1 模糊控制規則表

表1每格中都有兩個模糊規則，從左到右分別為Kp、Ki的模糊控制規則。

4 仿真分析

為驗證本文所提出控制方法的可行性，在MATLAB/Simulink環境下搭建了仿真模型。具體參數設置如表2所示。

表2 系統參數

VSG的重要特性之一就是大慣性[16]，也就是轉動慣量大，所以分析轉動慣量對系統的影響很重要。當系統帶8 kW+2 kvar的阻感性負載運行并達到穩態的過程，如圖4所示。

圖4 轉動慣量與功率相應關系

由圖4可以看出，VSG的轉動慣量決定了其動態響應的振蕩頻率。當轉動慣量取不同值時，輸出有功功率和無功功率達到穩態的時間是不同的[17]。從圖4中可知，開始時，功率是高于額定功率，原因是一次調頻時，輸出功率未達到指令值，頻率升高；當J的取值越大，系統轉動慣量越大，輸出功率達到穩定的速度越慢，而慣性越小，達到輸出穩態的時間越短。

隨后進行仿真試驗， 如圖5所示。

圖5 電流響應曲線

由圖5可以看出，在加入模糊之后的雙環控制系統中，電流達到穩定的時間更快，跟蹤性能更好，而且響應速度快。

5 結 語

隨著對VSG技術的深入研究，本文提出了一種基于模糊控制的VSG雙環控制模型。根據雙環控制對電流電壓進行調節，電流內環與電壓外環均采用比例積分控制，其中，電壓環的輸出電流作為電流環的參考電流。為了更好地提高相應速度，電流內環在比例積分控制的基礎上加入模糊控制。通過仿真試驗可以看出，加入模糊控制之后的系統，響應速度快，跟蹤性能好，抗非線性負載擾動能力強。通過理論分析和仿真分析，表明了該控制策略的可行性和正確性。

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ResearchonGrid-ConnectedStrategyofVirtualSynchronousGeneratorBasedonFuzzyControl*

YANGXuhong,XUEBing

(Shanghai Key Laboratory of Power Station Automation Technology, Automatic Engineering ofShanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Based on the control of three-phase inverter based on virtual synchronous generator, the double loop control system was composed of capacitor voltage and current feedback. Among them, the current loop and voltage loop were proportional integral control. However, the traditional double loop control had such shortcomings as low precision and slow response speed, The whole fuzzy control system had the function of adjusting the parameters according to the nonlinear system error of the system. On the basis of this, a control strategy of virtual synchronous motor based on the combination of double loop control and fuzzy PI was proposed. A detailed analysis of the fuzzy parameters after loop control setting, effectiveness and the method was proved by simulation research.

virtualsynchronousgenerator;three-phaseinverter;doubleloopcontrol;fuzzycontrol;rotaryinertia

上海市電站自動化技術重點實驗室開放課題(13DZ2273800);上海市科技創新行動技術高新技術領域重點項目(14511101200);上海市重點科技攻關計劃(上海市科委地方院校能力建設項目)(14110500700);國家自然科學基金項目(61203224);上海自然科學基金項目(13ZR1417800)

楊旭紅(1969—)，女，教授，碩士研究生導師，研究方向為智能電網控制技術、新能源發電及儲能技術、火電和核電機組的仿真建模及控制技術。薛 冰(1993—)，女，碩士研究生，研究方向為微電網逆變器控制方向。

TM

A

1673-6540(2017)11- 0038- 04

2017 -02 -15