新型虛擬同步發(fā)電機分布式主動支撐控制策略*

王立，王藝博，何國慶

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2.中國電力科學研究院 新能源與儲能運行控制國家重點實驗室，北京 100192)

0 引 言

隨著新能源裝機和發(fā)電容量的不斷增加，微電網和分布式發(fā)電得到了越來越多的關注[1-3]。與同步發(fā)電機相比，作為分布式發(fā)電并網主要連接裝置的電力電子逆變器響應速度快，不存在有利于系統(tǒng)穩(wěn)定的旋轉慣量和阻尼分量，無法為電網提供電壓和頻率支撐，也無法參與電網的調節(jié)過程[4-5]。為了提高分布式發(fā)電系統(tǒng)和高比例新能源電網的運行特性，并將傳統(tǒng)電網的運行控制策略應用于微電網中，有學者提出虛擬同步發(fā)電機概念[6-7]，將同步發(fā)電機的電壓和頻率特性引入到逆變器的控制器中，以模擬其外特性。

文獻[8-9]提出了應用于并網逆變器的下垂控制策略。下垂控制模擬同步發(fā)電機的Q/U和P/f下垂特性，在功率環(huán)節(jié)引入輸出電壓幅值和頻率的偏差反饋，使得并網逆變器在離網模式下能根據此偏差和自身額定功率共同分擔負荷功率。在并網模式下，下垂控制能夠通過調整逆變器輸出電壓來調節(jié)輸出有功和無功功率，能夠為電網提供必要的有功和無功功率支撐。文獻[10-11]在控制器結構中加入虛擬阻抗環(huán)節(jié)，虛擬阻抗降低了線路參數對下垂控制的干擾，能精確微電網電源點的功率分配，有效抑制環(huán)流。下垂控制模擬了同步發(fā)電機的外特性，多逆變器協(xié)同工作時不需要通信線，但并沒有模擬同步發(fā)電機的電磁特性和機械特性。文獻[12-14]借鑒同步發(fā)電機的電磁方程和轉子運動方程來控制并網逆變器，提出了虛擬同步發(fā)電機(Virtual Synchronous Generator，VSG)控制策略，使得并網逆變器的機理、外特性和調節(jié)過程都類似于同步發(fā)電機。虛擬同步發(fā)電機能主動地參與電網中調壓調頻過程，提高分布式電源高滲透的電網動態(tài)特性和電能質量。文獻[15]分析了弱電網下并網逆變器的輸出特性，提出了一種具有類似同步發(fā)電機的自同步能力的控制策略，避免了使用鎖相環(huán)而造成的不穩(wěn)定，并能夠穩(wěn)定弱電網電壓。文獻[16-17]建立了并網逆變器的小信號模型，證明了一定條件下，VSG的有功環(huán)和無功環(huán)是近似解耦的，并優(yōu)化了控制器的設計和參數選取并兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)性能。

文中在上述文獻的基礎上，優(yōu)化了同步發(fā)電機的建模過程，通過模擬同步發(fā)電機的勵磁調節(jié)和定子繞組電氣特性，以及機械運動過程，提出了一種新型虛擬同步發(fā)電機控制策略，并給出了完整的勵磁器和調頻器設計方法。該控制策略具有較好的電壓、頻率調節(jié)和恢復能力，有利于電網的穩(wěn)定并具備一定的限制故障電流能力。利用PSCAD/EMTDC仿真和實驗裝置驗證了所提控制策略的有效性，為分布式電源逆變器接口的運行控制提供了新的有效途徑。

1 同步發(fā)電機建模

本節(jié)進行三相對稱同步發(fā)電機動態(tài)模型的建立。為簡化分析，模型建立于隱極式同步發(fā)電機，故定子繞組自感和互感為常數，并忽略阻尼繞組的作用、鐵芯的渦流和磁飽和現象。圖1為隱極式同步發(fā)電機繞組等效結構。

輸出電壓和電流以及勵磁電流iF參考方向如圖1所示。定、轉子間互感由轉子角決定，即：

圖1 隱極式同步發(fā)電機繞組等效結構

(1)

定子繞組可視為具有自感L和互感M的電感，其磁鏈為：

(2)

對于三相對稱繞組，定子繞組間互感M等于1/2L，故定子磁鏈可表示為：

(3)

(4)

(5)

由式(5)可知，調節(jié)勵磁電流iF就可以相應地調節(jié)輸出電壓的大小。在電壓動態(tài)調節(jié)過程中，勵磁電流iF不為常數，因此建模時仍應考慮勵磁電流的微分量。

由轉子運動方程可建立同步發(fā)電機機械轉動模型：

(6)

式中Tm為機械轉矩；Te為電磁轉矩；J是轉子慣性時間常數；D是阻尼系數；ωs是電網電壓角頻率；電磁轉矩可由輸出電磁功率Pe，得：

(7)

2 新型虛擬同步發(fā)電機控制策略

介紹一種新的虛擬同步發(fā)電機控制策略的設計方法。圖2所示為三相兩電平逆變器的電氣結構，其包含采用脈寬調制的三相橋臂和用以消除電壓紋波的LC濾波器。可將濾波電容輸出側視為同步發(fā)電機的輸出端口，通過控制濾波電容電壓來模擬同步發(fā)電機的外特性。

圖2 逆變器電氣結構

控制策略可分為三部分：勵磁器、調頻器和內環(huán)控制器。勵磁器控制虛擬同步發(fā)電機輸出無功功率或輸出電壓幅值，調頻器控制輸出有功功率或輸出電壓角頻率，內環(huán)控制器實現控制快速性并限制故障電流。另外，勵磁器和調頻器還具有自同步、電壓頻率支撐、負荷分配、環(huán)流抑制能力。所提出的控制框圖如圖3所示。

2.1 勵磁器

勵磁器考慮勵磁電流的動態(tài)特性，結合虛擬轉子坐標系，對式(4)和式(5)進行abc靜止坐標系到dq旋轉坐標系轉換，可得dq旋轉坐標系下同步發(fā)電機輸出電壓和內電勢如式(8)和式(9)。虛擬轉子坐標系如圖4所示。

圖3 虛擬同步發(fā)電機控制框圖

圖4 虛擬轉子坐標系

定義q軸超前d軸90°，a相與d軸重合，δ為內功率因數角。

(8)

(9)

式中Rs、Ls為虛擬定子繞組電阻和電感。其中，eq分量反映出勵磁電流變化時對基波電勢的擾動。

逆變器輸出無功功率和電壓之間應滿足下垂關系，如圖5(a)所示。

由式(9)，內電勢由勵磁電流iF決定，勵磁電流由輸出無功功率Q與無功功率給定值Qset的偏差量得到，即：

圖5 輸出功率的下垂曲線

(10)

式中m為無功功率下垂系數，并在控制器中加入積分環(huán)節(jié)1/Ks以實現無功功率的無差控制。

對于閉環(huán)控制的VSG，其閉環(huán)輸出阻抗由其開環(huán)輸出阻抗和閉環(huán)參數共同決定，虛擬定子繞組環(huán)節(jié)可以調整逆變器的輸出阻抗，解決線路阻抗中阻性成分帶來的功率耦合問題，滿足虛擬同步發(fā)電機的功率解耦條件。虛擬定子繞組能減弱線路參數對下垂特性的影響，合理的設計虛擬定子繞組阻抗值，有利于并聯組網運行的逆變器的負荷分配。同時，虛擬定子繞組的設置可實現并聯逆變器間環(huán)流和故障電流的限制。

在無功負載過大時，因下垂特性，勵磁電流減小，內電勢降低，使得逆變器輸出電壓不滿足要求。此時可在勵磁器中加入輸出電壓前饋進行勵磁電流補償，修正內電勢，如：

(11)

式中ΔiFd、ΔiFq為d軸、q軸虛擬勵磁電流補償量，分別由額定電壓的d、q軸分量Udref和Uqref與輸出電壓的d、q軸分量Vod和Voq的偏差經過比例積分(PI)環(huán)節(jié)得到。在控制器中，閉合開關Sv，即可補償勵磁電流，修正輸出電壓參考值，在穩(wěn)態(tài)時使得輸出電壓Vodq等于電壓額定值Udqref。

2.2 調頻器

調頻器可實現對電網頻率和相位的追蹤。穩(wěn)態(tài)時，輸出有功功率和電壓頻率之間滿足下垂關系，如圖4(b)。機械轉矩Tm和電磁轉矩Te之差使得轉子角頻率變化，改變輸出相位θ。輸出相位θ決定abc到dq坐標系的變換。利用轉子運動方程，可設計輸出功率和頻率之間的慣性關系，模擬同步發(fā)電機的一次調頻過程。輸出電壓角頻率的增量正比于輸出功率與給定值的差值。穩(wěn)態(tài)時，頻率增量為：

(12)

由此，可設計調頻器為：

(13)

式中Pset為有功功率給定值；P為逆變器輸出功率；對應于電磁功率Pe。

同步發(fā)電機中，通過調整原動機輸出功率來修正頻率特性曲線，消除一次調頻的靜差，使得系統(tǒng)頻率恢復為額定值。

(14)

虛擬同步發(fā)電機中，閉合開關Sf，通過前饋頻率增量經比例環(huán)節(jié)修正Pset，調整直流側輸出功率，如式(14)，從而實現二次調頻。

2.3 內環(huán)控制器

內環(huán)控制器采用基于dq解耦的電壓電流雙閉環(huán)控制器，分為電壓外環(huán)和電流內環(huán)。在電壓環(huán)中，采用PI控制器來調節(jié)濾波電容電壓，并得到電流參考值。

(15)

電流環(huán)通過P控制器調節(jié)濾波電感電流，如：

(16)

為防止暫態(tài)時的過電流損害設備，應限制電流參考值iLdref、iLqref。通過解耦項來實現d、q軸電壓電流的獨立控制，抵消濾波電感上的壓降。

3 虛擬同步發(fā)電機的工作模式

3.1 輸出無功功率和電壓調整

虛擬同步發(fā)電機的輸出無功功率增量和輸出電壓幅值增量滿足Q/V下垂關系，并聯系統(tǒng)中，下垂系數m決定著負荷無功功率在逆變器間的分配。

在孤島模式下，輸出功率由負載決定，當負載過大時，虛擬同步發(fā)電機的輸出電壓可能不滿足要求(輸出電流過大會使得虛擬定子繞組阻抗上壓降過大，無功負載過大也會造成勵磁電流的降低)。此時，閉合開關Sv，輸出電壓偏差經過比例積分環(huán)節(jié)對虛擬勵磁電流iF進行補償，分別對d、q軸內電勢經行修正，以消除輸出電壓幅值誤差。

3.2 輸出有功功率和頻率調整

在同步發(fā)電機中，當負荷有功功率增加時，機械轉矩增加，轉子轉速被拖慢。其角頻率變化的程度決定于阻尼系數D，阻尼系數和轉子慣性時間常數J決定頻率慣性環(huán)節(jié)的時間常數τ，輸出有功功率和頻率之間滿足P/f下垂關系，即：

(17)

通常，時間常數τ越大，則同步發(fā)電機的機械旋轉慣量越大，儲存的機械能越大。對于虛擬同步發(fā)電機，時間常數τ反映系統(tǒng)的慣量，系數D阻尼功率振蕩。

在并網狀態(tài)下，若同時打開二次調頻開關Sf和虛擬勵磁補償補償開關Sv，則虛擬同步發(fā)電機運行于恒定有功無功功率(PQ)模式，此時輸出功率由功率參考值決定，輸出電壓受限與交流母線，輸出側相當于PQ節(jié)點。若打開開關Sf閉合開關Sv，則虛擬同步發(fā)電機工作于恒有功功率、恒電壓(PV)模式。在組網模式下，若同時閉合開關Sf和開關Sv，則VSG進入恒壓恒頻(Vf)模式。由此可知，VSG不僅具有更統(tǒng)一兼容的控制接口，也方便引入電力系統(tǒng)中相關控制理論和方法。

4 時域仿真與實驗驗證

4.1 時域仿真

在PSCAD/EMTDC環(huán)境中搭建20 kVA逆變器模型，以驗證上述虛擬同步發(fā)電機控制策略。選取阻尼系數D為50，有功功率指令每增加1 kW，頻率增加0.063 6 Hz。選取轉子慣性時間常數J為0.3，則頻率慣性環(huán)節(jié)時間常數τ為0.006 s。勵磁電感Mf為3.18e-3，無功下垂系數m為0.005。仿真時間步長為5 μs。逆變器主要參數如表1所示。

在本仿真中，虛擬同步發(fā)電機的交流側直接與微電網交流母線連接。仿真由t=0 s時刻開始，有功功率指令Pset和無功功率指令Qset均為0，在t=0.3 s時刻Pset變?yōu)?0 kW，在t=0.3 s時刻Pset變?yōu)?0 kW，在t=0.9 s時刻Qset變?yōu)? kvar，在t=1.5 s時刻Pset變?yōu)?0 kW。可見，輸出功率均隨功率指令變化，且有功/無功功率指令變化時，輸出無功/有功功率也有小幅變化，但很快恢復到指令值。輸出頻率隨Pset變化以調整逆變器輸出電壓相位。

由圖6、圖7可見，在功率指令階躍時，輸出功率隨之上升，可知所提的虛擬同步發(fā)電機控制策略有較好的功率跟蹤能力。

表1 逆變器主要參數

圖6 逆變器輸出有功功率和電壓頻率

圖7 逆變器輸出無功功率和電壓標幺值

4.2 實驗驗證

搭建一臺三相逆變器以驗證上述虛擬同步發(fā)電機控制策略。控制器主要參數選取同仿真參數。逆變器橋臂開關采用SiC-MOSFET，開關頻率20 kHz。控制器DSP采用TMS320F28335，A/D轉換芯片為AD7865BS-1。電壓互感器為LV25-P，電流互感器為HAC-400-S。DSP數據通道采樣間隔時間為50 ms。逆變器電路主要參數如表2所示。

表2 實驗逆變器主要參數

實驗過程分為兩部分。第一部分：初始狀態(tài)時逆變器接入6 kW有功負載，此時設定有功、無功功率指令Pset和Qset分別為6 kW和0 kvar，在t1時刻退出3.5 kW有功負載，在t2時刻接入1.1 kW有功負載。逆變器輸出有功功率和輸出電壓角速度如圖8所示，經過調頻器環(huán)節(jié)，角速度隨著輸出有功功率的減少而增加。t1時刻輸出電壓電流如圖9所示。

圖8 輸出有功功率和輸出電壓角速度

圖9 t1時刻輸出線電壓和A相輸出電流

在t3時刻接入3 kvar無功負載，在t4時刻退出0.75 kvar無功負載。輸出功率和輸出電壓幅值d軸分量如圖10所示。

圖10 輸出功率和輸出電壓d軸分量

可見，隨著輸出有功功率的下降，輸出電壓角速度上升，滿足頻率下垂關系。投入無功負載后，輸出電壓下降，滿足電壓下垂關系。

第二部分：同t1時刻一樣退出有功負載，此時電壓角速度隨之升高，在t5時刻閉合開關Sf，以驗證二次調頻環(huán)節(jié)，如圖11所示，在有功負載不變的前提下，輸出電壓角速度恢復到額定值。同t3時刻接入無功負載，輸出電壓受勵磁器控制隨之下降，在t6時刻閉合開關Sv，驗證虛擬勵磁補償環(huán)節(jié)，如圖12所示，輸出電壓靜差很快被消除，恢復到額定值。可知，所提的虛擬同步發(fā)電機不僅能夠在負載變化時為電網提供電壓和頻率支撐，還具有電壓和頻率二次調整能力。

圖11 輸出有功功率和輸出電壓角速度

圖12 輸出功率和輸出電壓d軸分量

5 結束語

結合虛擬定子繞組概念，提出了一種適用于新能源并網分布式發(fā)電的新型虛擬同步發(fā)電機主動支撐控制策略，得到以下結論：

(1)所提出的虛擬同步發(fā)電機控制策略具有與同步發(fā)電機相似的有功和無功調節(jié)能力，能夠為電網提供一定的慣性和阻尼，有利于電網的穩(wěn)定;

(2)所提出的虛擬定子繞組環(huán)節(jié)可以調整逆變器的輸出阻抗，解決線路阻抗中阻性成分帶來的功率耦合問題，同時能減弱線路參數對下垂特性的影響，合理的設計虛擬定子繞組阻抗值，有利于并聯組網運行的逆變器的負荷分配；

(3)仿真和實驗結果都驗證了所提的虛擬同步發(fā)電機控制策略的可行性和有效性，為新能源微電網控制的發(fā)展提供了新的方法。