電-氫多能互補型微電網的VSG平衡電流控制方法

陳維榮 ，于 瑾 ，李 奇 ，蒲雨辰 ，楊寒卿 ，韓 瑩

（西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031）

在現今能源需求與環境保護的雙重壓力下[1]，分布式發電相關技術以其既可以提高能源利用率，又能充分利用可再生能源的優勢得到了廣泛關注.由于光伏發電、風力發電等分布式電源出力存在隨機性、波動性等固有缺點，儲能系統[2-4]對微電網系統穩定運行具有重要意義.目前，含多種能源的儲能方式得到了廣泛研究，電-氫多能互補型微電網逐漸進入學者的視野[5-7].

由于多能互補型微電網中包含的眾多電力電子器件，不具有傳統電網中所固有的慣性和調頻調壓能力[8]，因此考慮可以通過采用合理的控制方法，使并網逆變器在外特性上能模擬傳統電網的同步發電機，使其具有一定的慣性和調頻調壓特性，從而對電網更加友好[9]，改善微電網的穩定性，虛擬同步發電機控制技術應運而生.

現有的虛擬同步發電機技術主要分為兩大類[10]：電流控制型、電壓控制型虛擬同步機技術.前者大多應用于滲透率不高的強電網中，相當于受控電流源；后者通常作為受控電壓源，應用于高滲透率的弱電網背景下.

傳統 VSG （virtual synchronous generator）控制通過模擬同步發電機的外特性和內部機理，使得并網逆變器具有慣性和阻尼特性，為大電網提供必要的支撐.文獻[11]模擬了同步發電機的電磁暫態特性，提出了電壓型VSG控制策略.文獻[12-14]分別利用同步發電機的電磁方程和機械方程來進行建模，使得虛擬同步發電機的特性與實際更加接近，在特性上達到了很好的模擬效果，簡化的模型也更加方便對VSG控制進行改進.文獻[15]結合虛擬電阻和向量限流法，提出一種故障電流控制方法，適用于直接電壓式虛擬同步機，且保證了虛擬同步發電機的正常運行.文獻[16]通過改進虛擬同步發電機的控制結構，使逆變器在并網一次調頻和孤島二次調頻自如切換，且所提出的二次調頻方法還可以輔助實現并網預同步功能.

傳統VSG控制方式有利于微電網實現友好并網，但在電網電壓不平衡時，無抑制負序電流的能力，造成并網電流不平衡、諧波干擾等問題，嚴重影響電能質量.針對非理想情況下運行的VSG控制，文獻[17]提出了一種孤島模式中的故障穿越策略，通過判斷虛擬同步機機端電勢和出口電流，對電路故障程度進行劃分，分別應用快速電流控制和虛擬阻抗控制，有效增強VSG控制限制短路電流的能力；文獻[18]引入了非線性負載，分析了非線性負載造成輸出側電壓畸變的原因，并提出利用虛擬諧波阻抗進行諧波抑制的方法，能同時適用于電流型和電壓型諧波源.

本文建立了電-氫多能互補型微電網的基本拓撲結構，并基于此結構分析了VSG控制原理，通過全頻段的小信號模型分析確定了VSG系統控制參數，分析了在電網電壓三相不平衡情況下的工作機理，進一步提出了三相電流平衡的實現方法.最后在Matlab/Simulink仿真環境下驗證了改進的三相電流平衡方法的有效性.

1 VSG控制的實現

1.1 電-氫多能互補型微電網系統結構

本文提出的電-氫多能互補型微電網主要包括光伏發電及蓄電池儲能組成的電能系統和電解槽-儲氫罐-燃料電池組成的氫能系統.微電網結構如圖1所示.

圖 1 電-氫多能互補型微電網結構Fig.1 Electro-hydrogen multi-energy complementary microgrid structure

電能系統由光伏發電陣列和蓄電池組成.由于光伏陣列輸出受環境影響較大，將其通過DC/DC轉換器連接到母線上，采用擾動觀察法作為最大功率點跟蹤控制（MPPT）方法.

蓄電池具有良好的暫態性能，能夠快速補償母線功率不平衡，在電-氫多能互補型微電網中其主要作用在于平抑由電解槽和燃料電池動態響應慢而產生的波動.通過雙向DC/DC變換器連接到直流母線上.本文蓄電池 SOC （state of charge）上限為 80%，下限設置為20%.

氫能系統由質子交換膜燃料電池、額定功率1 kW的電解槽和儲氫罐組成.燃料電池的輸出功率由功率協調控制策略決定，其額定功率為1 kW，額定電壓24 V，通過電流單環控制產生變流器控制信號.

電解槽將水分解產生氫氣，氫氣流速與電解槽電流成正比：

式中：ηF為法拉第效率；nc為電解槽的串聯個數；ie為電解槽輸出電流；F為法拉第常數.

儲氫罐儲氫量為

式中：t1、t2分別為儲氫起止時間；對儲氫罐容許壓強進行了限制，其上限為最大容許壓強的80%，下限為20%.

功率協調控制策略作為電-氫多能互補型微電網運行的核心，其應當在運行周期內，綜合考慮負荷需求電量、分布式電源發電能力及輸出特性、儲能系統容量，合理安排分布式電源和儲能系統的啟停及電、氫能量的存儲和利用.當光伏陣列輸出功率大于負荷需求功率時，即產生棄光現象時，由光伏陣列提供能量，蓄電池快速儲能就地消納多余的電能，剩余功率供給電解槽電解水產生氫氣，儲存在儲氫罐中.當光伏陣列輸出功率不足時，由蓄電池快速補充功率缺額平抑母線電壓波動，若功率缺額較大，由燃料電池按功率協調控制策略輸出功率，補足功率缺額，保證母線上功率平衡.

1.2 VSG控制結構

典型的三相三線制并網逆變器結構[19]如圖2所示.

圖 2 VSG控制系統框圖Fig.2 Block diagram of VSG control system

同步發電機的特性方程由經典的二階模型給出，其轉子運動方程如下：

式中：Pm、Pe分別為同步發電機的機械功率、電磁功率；D為阻尼系數；J為轉動慣性常數；ω、ω0分別為虛擬同步角速度和電網角速度；θ為發電機功角.

同步發電機的瞬時電磁功率pe可由功率計算環節得到：

式中：ud、uq為逆變器輸出電壓uabc在同步旋轉坐標系下的d、q軸分量；id、iq為逆變器輸出電流的d、q軸分量.

虛擬機端電勢的幅值E主要由虛擬勵磁支路控制，有

式中：Vref和V分別為參考電壓和實際電壓；Qref和Qe分別為參考無功功率和實際無功功率；KV為電壓調節系數；k為虛擬勵磁調節的慣性系數.

2 VSG系統穩定性分析

由基爾霍夫定律，可得VSG電磁動態方程[20]如下：

式中：uoabc為橋臂三相電壓；uabc和iabc分別為逆變器輸出電壓和電流；L、R分別為逆變器到電網的電感和電抗.

對三相坐標下的電路電磁動態方程變換到dq坐標系下，假設同步旋轉頻率為電網額定頻率，有

式中：uodq為dq坐標系下逆變器輸出電壓.

對式（6）進行 Laplace變換，同時令X = ω0L，可知在dq軸坐標系下的并網電流分量表達式為

2.1 有功功率控制環

設定虛擬同步發電機輸出電壓與電網電壓相角差為δ，假定dq軸坐標系下的電網電壓分量為

式中：Ug為電網電壓.

在dq坐標系下的逆變器輸出電壓分量為

為分析有功功率與功角的關系，對式（10）中δ施加擾動并代入式（8）中，得到逆變器輸出電壓u和輸出電流i的小信號模型：

式中：δ0為功角穩態值.

由瞬時有功功率，可得有功功率線性化小信號模型：

式中：下標“0”表示VSG系統穩態運行值.并網電流的穩態值如式（13）.

式中：U為電網電壓有效值.

綜合上述推導，代入式（12）化簡可得VSG有功-相角間的傳遞函數為

式中：系數表達式為

2.2 無功功率控制環

VSG通過控制逆變器機端電壓幅值來調節輸出的無功功率，由瞬時功率理論可得無功功率的表達式為

對瞬時無功功率輸出進行小信號線性化并展開，得

對VSG機端電壓幅值施加擾動并化簡，同理可得VSG無功-電壓間得傳遞函數為

式中：系數表達式為

2.3 基于全頻段小信號模型的穩定性分析

取運行條件為E= 1.05 pu，U= 1.0 pu，X= 0.078 pu，R= 0.008 pu，可得到Hpδ(s) 和HQE(s) 的波特圖，如圖 3所示.

圖 3 有功-相角、無功-電壓傳遞函數波特圖Fig.3 Bode plot for active power-phase and reactive power-voltage transfer functions

由前兩節的分析，有功-功角、無功-電壓傳遞函數具有相同的共軛極點極點的位置決定了諧振的大小，當極點位于虛軸上時，將產生無窮大的增益.由于電路中電阻相較電感參數很小，所以極點s1,2≈ ±jω0靠近虛軸，在同步頻率處存在諧振點.由波特圖可看到，在同步頻率ω0處存在諧振現象，產生諧振尖峰，并在諧振點引入180°相位滯后，相位裕度下降，使得VSG控制帶寬變窄，回路帶寬需設置低于50 Hz.

HPδ(s)和HQE(s) 作為有功功率控制環和無功功率控制環的重要環節，將同步頻率諧振帶入了VSG的控制環路當中.

忽略實際系統中有功功率、無功功率分別與電壓、功角的耦合，可得到系統閉環控制框圖如圖4所示.

圖 4 VSG控制系統閉環控制框圖Fig.4 Block diagram of VSG control system in closed-loop control

系統的開環傳遞函數表達式為

取J= 0.05 pu，D= 15 pu，k= 0.1 pu.當J變化時，有功功率控制環的開環波特圖如圖5所示，可以看到，當J= 0.05 pu時，諧振點的峰值可能超過0，加之此時沒有足夠的相位裕度，系統將處于不穩定狀態.當勵磁調節系數k變化時，無功功率控制環的開環波特圖如圖6所示，可以看到當k= 0.1 pu時，系統將處于不穩定狀態.

圖 5 有功控制環波特圖Fig.5 Bode diagram of active control loop

圖 6 無功控制環波特圖Fig.6 Bode diagram of reactive control loop

本文選取慣性常數J為0.1 pu，勵磁調節k為5.0 pu.

3 平衡電流控制方法

當電網電壓三相不平衡時，系統中出現負序分量，導致逆變器并網電流出現三相不平衡，輸出功率波動，影響微網系統的穩定運行和可靠并網.因此本文以電-氫多能互補型微電網并網電流三相平衡為目標，根據電路參數L、R計算出正序電流的參考值，利用電流內環控制使并網電流跟隨正序指令值，并對負序分量進行抑制，同時減小微電網輸出功率振蕩.該方法控制框圖如圖7所示.

圖 7 改進的平衡電流控制框圖Fig.7 Block diagram of improved balanced current control

對圖2所示主電路進行分析，為簡化計算，忽略電容支路的影響，正序電流、電壓的函數關系如式（19）.

式中：udop和uqop為逆變器輸出電勢的dq軸正序分量；edp、eqp為電網電壓dq軸正序分量；idp、iqp為并網電流的dq軸正序分量.

對式（19）反變換可得正序電流穩態方程：

由式（20）得到電流指令計算環節的正序電流參考值，利用 PI （proportional integral）調節器，使得實際并網電流正序值跟隨正序電流參考值.同時將負序電流參考值設為0，對負序電流進行抑制.

此外，由于三相正序、負序分量經dq分解后分別為直流和2倍頻分量，因此可在dq坐標系下利用陷波器濾除2次諧波分量，實現正負序分量的分離.其傳遞函數為

式中：ω1為陷波角頻率，這里為2倍電網（額定）角頻率；ζ為品質因數，為保證較快響應速度，此處設為1.

4 仿真結果及分析

4.1 電-氫多能互補型微電網電源協調控制

在Matlab/Simulink軟件環境下進行仿真驗證，電-氫多能互補型微電網VSG控制系統框圖參見圖2.

光伏陣列、蓄電池、燃料電池、儲氫罐和電解槽[21]具體參數如表1所示.

表 1 電源及儲能參數Tab.1 Parameters of power supply and energy storage

為在較短的運行時間內驗證電-氫多能互補型微電網各微電源的性能及功率協調控制策略的有效性[22]，模型參數均按一定比例縮放.

0～1 s時，光照強度為 1 500 W/m2，1～2 s時，為 1 100 W/m2，2～3 s時，為 500 W/m2；電網及本地負荷為10 kW.系統各裝置輸出功率如圖8所示.

由圖8可看出，電-氫多能互補型微電網各電源功率協調情況如下：

0～1 s時，光伏陣列輸出功率大于負荷需求功率，產生棄光現象，先由蓄電池充電，消耗功率為2 kW，剩余功率2 kW供給電解槽電解水制氫，轉化為氫能儲存在儲氫罐中；

圖 8 多能互補型微電網功率協調控制Fig.8 Coordinated control of multi-energy complementary microgrid power

1～2 s時，光伏陣列輸出功率為11 kW，負荷需求功率10 kW，棄光部分功率未超過蓄電池最大充電功率，蓄電池迅速充電消納棄光部分功率，平抑直流母線電壓波動，電解槽不啟動；

2～3 s時，光伏陣列輸出小于電網及負荷需求功率，蓄電池迅速放電，達到最大放電功率后，由然燃料電池補充功率缺額.

仿真結果證明電-氫多能互補型微電網電源功率協調控制策略有效，且可以高效地補充功率缺額，維持母線電壓穩定.

4.2 電流平衡控制驗證

VSG電流平衡控制系統參數如表2所示.

表 2 系統參數Tab.2 Parameters of the system

仿真時長為3 s，0～1 s時，系統正常運行；1～2 s內電網電壓因故障三相不平衡，A相幅值降落20%；2 s時故障切除，2～3 s電網電壓三相平衡，系統恢復正常運行.

圖9、10分別為傳統VSG控制下和改進控制方法下的電-氫多能互補型微電網并網電流波形.

圖 9 傳統VSG控制輸出電流波形Fig.9 Output current waveform by traditional VSG control

圖 10 改進VSG電平衡控制輸出電流Fig.10 Output current by VSG current balanced control

圖9中兩放大圖分別為0.5～0.6 s、1.5～1.6 s時的并網電流波形，其中A、B、C相電流分別用藍色、紅色、黃色表示.從圖9中可以看出，電網電壓出現三相不平衡時，并網電流也會出現不平衡，且會產生沖擊電流，不平衡運行時三相電流幅值增大，最大電流為52 A，超過正常運行電流136%，易損壞設備，對系統穩定性也造成極大的沖擊.

運用改進的電流平衡控制方法，如圖10所示.從0.5～0.6 s放大圖可看出，系統正常運行狀態下，并網電流幅值為22 A，三相電流平衡；由1.5～1.6 s放大圖，在電網電壓不平衡的情況下，VSG仍可輸出三相平衡電流，且幅值控制在27 A，超過正常運行電流23%.相比于傳統VSG控制，改進的電流平衡控制方法提高了系統的穩定裕度，保證了系統的運行穩定性，更有利于電-氫多能互補型微電網并網.

圖11為傳統VSG控制和改進電流平衡VSG控制方式下逆變器輸出有功功率和無功功率的對比.實線為改進方法，虛線為傳統VSG控制方法.

圖 11 輸出有功、無功功率對比Fig.11 Comparison of active and reactive powers

可以看到，傳統VSG控制方法在電網電壓不平衡時，波動很大，嚴重影響系統的穩定運行.而由改進的方法由于抑制了系統內的負序分量，使得瞬時功率波動分量減小，在1～2 s內有功功率和無功功率波動減弱，波動范圍小于1 kW.同時，在電網電壓不平衡和恢復正常運行的瞬間，電流和功率產生的沖擊都有相應減小，證明改進的控制方法同時具有減小暫態沖擊的作用.而在系統正常運行時，負序電流抑制對系統沒有影響.

5 結 論

本文提出了電-氫多能互補型微電網的拓撲結構，對光伏陣列、蓄電池、質子交換膜燃料電池、電解槽進行建模，分別搭建了電能系統模型和氫能系統模型，該模型的優點在于可以對棄光進行就地消納，轉化為氫能進行儲存，同時，電儲能系統和氫儲能系統互為補充，提高了供電系統的可靠性，提高能源利用效率.

此外，通過分析VSG全頻段并網小信號模型，得到VSG系統控制參數，對dq坐標系下電流指令計算方法進行了改進，抑制了同步頻率諧振，提高了系統在諧振點處的穩定裕度.在電網電壓三相不平衡的情況下，使得VSG仍輸出三相平衡電流，能夠抑制系統內的負序分量，減弱暫態沖擊，減小VSG輸出功率振蕩，保證了并網系統的穩定運行.最后通過MATLAB/Simulink仿真驗證了電-氫多能互補型微電網的功率協調控制及改進VSG平衡電流控制方法的有效性.