VSM交直流混合微網控制

矯德強， 趙 憲

(長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

隨著微電網技術的發展，交直流混合微電網引起了人們的注意[1],交直流混合微電網(混合微網)的運行結合了交流微網和直流微網的優點。混合微網由交直流子系統通過電壓源變換器(Voltage Source Converter， VSC)互聯組成，混合微電網有兩種不同的運行模式,即并網模式和孤島模式，保持交流子網的頻率和直流子網的電壓在可接受的標準范圍內運行是最重要的問題。可再生能源(Renewable Energy Sources, RES)的高穿透性影響混合微網內的頻率和電壓，從而影響其穩定性，雙向變換器(BC)控制通過子網之間雙向功率的合理分配是保證混合微網穩定運行的關鍵。起初，電力電子接口是集成不同類型分布式能源進入不同微網運行模式的重要組成部分，由于電力電子接口的諸多優點和它所提供的優越性能，功率轉換器已經成為一種實用的可再生能源接口方式。文獻[2-3]提出了外特性為電壓源的電壓控制型虛擬同步發電機(Virtual Synchronous Generator, VSG)，其本質主要考慮了有功-頻率、無功-電壓的關系，為系統提供穩定的頻率和電壓支撐，在滲透率較高的電網環境下應用廣泛。然而，不同于同步電機(SM)，RES接口的功率轉換器因缺乏支持交流系統頻率和電壓控制所需的慣性，對改善系統穩定性無效。因此，高滲透水平的VSC也會導致穩定性問題并影響系統動態穩定[4]。

獨立的微電網被認為是一個弱系統，因為交流側沒有頻率支持，直流側沒有直流電壓支持，因此，交直流子微網之間功率的合理分配對微電網的穩定性至關重要，發電或負載條件的變化會導致大的頻率偏差，可能會使系統不穩定[5]。文獻[6]指出，增加交流微電網的負荷會使主導系統極點移到一個不穩定的區域。文獻[7]對微電網中功率波動時的 VSG 儲能單元進行設計，保證了直流母線電壓的穩定。因此，混合微電網的穩定性不僅依賴于交流微電網，還依賴于直流微電網。此外，通過雙向轉換器供電或吸收電能，不僅影響交直流子網的動態和性能，還可能導致整個混合系統的不穩定運行。關于功率分配，文獻[8]引入虛擬阻抗，并提出一種改進的下垂控制，提高了并聯轉換器有功均分效果，但無法實現無功均分。文獻[9]針對孤島運行的交直流混合微電網提出一種功率協調控制策略，研究了混合微網的自主運行。文獻[10]提出了應用雙向轉換器(BC)合理分配功率的概念。

文中通過應用結合VSC和SM特性的虛擬同步機(VSM)控制器的概念來解決上述問題。電力電子轉換器的VSM控制算法可以添加到轉換控制器中，使其像SM一樣工作。該算法將虛擬慣性和虛擬阻尼引入到接口變換器的回路控制器中，在SM的實際操作中，VSC沒有物理慣性質量。文中主要創新點是提出了一種新的控制算法，使雙向轉換器作為同步電機來支持孤島運行模式下交流子網電壓和頻率以及直流子網的電源。文中還將基于VSM的雙向轉換器自主功率分配作為第二創新點，所提出的控制器由內環電流和外環電壓兩個控制器組成，電流控制環的優點是對轉換器的保護，使其免受過流的影響。該控制算法也適用于雙環電流控制器的不平衡混合系統，所討論的系統基于平均VSC模型,顯示混合微網的配置及其參數；應用PSCAD進行仿真,將提出的控制算法與傳統電流控制器算法進行對比，揭示其優勢，給出了仿真結果和分析；最后給出結論。

1 交直流混合系統配置和控制結構

文中使用的交直流混合微電網配置如圖1所示。

交流側由風能發電與柴油發電供電，電流先通過整流器進行過濾，再通過逆變器將電能供給交流負載，存在一塊電池板為交流側后備電源。直流側由光伏陣列與電池板供電，電流通過整流器過濾后直接配送給直流負載，交流子微網與直流子微網通過雙向轉換器連接。

直流子系統逆變器的控制結構是基于級聯電壓和電流控制，如圖2所示。

交流子系統和雙向變換器的控制結構基于電流和電壓控制器同步參考框架如圖3所示。

BC控制器只包括電流環和電流基準，由下垂控制器控制[11]，參考數據見表1。

1.1 交流微網

交流子微網中的分布式發電(Distributed Generation， DG)單元由直流電源供電的三相電壓源變換器(VSC)組成，無論是用直流電壓源表示的可調DG或非可調DG均由傳統下垂方案控制，每個DG單元根據預定義的下垂增益提供負載。因此，當系統參數對稱時，為了使所有DG單元具有相同的功率分配，下垂增益也應該是相同的。此外，DG單元之間的平等功率共享為系統提供了穩定裕度[12]。DG機組必須滿足交流子網有功電源的供電要求，每個DG注入的總功率之和必須等于共同的交流負載功率之和

(1)

式中：PACload——總交流負載功率；

n——變量,連接到AC微電網的DG單元數。

圖1 交直流混合微電網結構

圖2 直流DG機組的級聯電壓和電流控制

圖3 包含虛擬阻抗級聯電壓和電流控制器的控制塊

表1 交直流混合微網的參數配置

1.2 直流微網

每個DG單元在直流子微網中由來自直流電源供能的半橋DC-DC變換器組成，直流子網中的直流母線電壓是基于下垂控制的DG單元，下垂控件與AC子網類似，每個DG單元根據預定義的下垂增益提供負載。每個DG單元注入的總功率之和必須等于共同的直流負載功率之和

(2)

1.3 混合微網的自主控制

交流子微網的自主運行主要是基于下垂控制，其供電功率是有功還是無功取決于系統的頻率和在公共耦合點(Point Common Coupling， PCC)上的交流電壓[13]，增加交流負載降低了系統的頻率,使DGS提供更多有功功率的標志，反之亦然。另一方面，降低PCC點的交流電壓是DGS提供無功功率的標志。因此，采用矢量控制可以實現獨立的有功控制和無功控制。

直流子微網的自主運行類似于交流子微網，直流電壓水平決定所需的注入功率，直流電壓的變化是DGS通過注入有功功率來維持直流電壓的主要信號。由于電阻線的壓降，直流微電網中所有具有相同下垂系數的DGS并不能分配相同的功率。與交流和直流微電網相比，基于下垂控制的雙向轉換器的自主運行有很大不同，BC基于下垂控制可以自主控制，這是通過測量其交直流終端的交流子網頻率和直流子網電壓電平和來確定的。因此，控制基準由與交流微網頻率相關的交流下垂和與直流微網直流電壓相關的直流下垂之和組成。BC的交直流組合下垂特性的數學表達式如下：

(3)

(4)

(5)

當BC功率基準由式(3)確定后，在只使用電流控制器回路的情況下，通過將電源基準除以電壓大小可以找到輸入電流控制器的電流基準。

2 仿真結果及分析

研究中使用的系統模型由在PSCAD/EMTDC中構建的平均VSC模型組成，文中的研究主要集中在從直流到交流和從交流到直流的功率交換。此外，還將基于新型VSM控制器和傳統電流控制器回路的混合微電網進行了對比分析。

在這種情況下，兩個混合微電網具有相同的操作條件，在欠載條件下兩個子系統的負載功率變化特性仿真如圖4所示。

圖4 交流微網在欠載條件下的負載功率變化

最初交流子系統為交流負載提供功率1 MW，而直流子系統提供0.8 MW，在t=5 s時，交流負載功率增加到1.5 MW。

欠載條件下的BC功率交換如圖5所示。

圖5 欠載條件下的BC功率交換

圖5中，在反應緩慢的過渡時期供電可能更可取，更好的情況是由控件提供的，僅基于電流控制器的BC沒有顯示這一特性。如圖4和圖5的開頭所示，提出基于VSM控制改進了交流子系統中DGS的啟動瞬變，減少了超調。

由于BC控制器中存在VSM，慣性的影響導致轉換器功率受影響。直流微網在欠載條件下的負載功率變化如圖6所示。

圖6 直流微網在欠載條件下的負載功率變化

圖6中，在t=3 s時，直流負載功率從0.4 MW增加到0.8 MW,因此，對交流子系統沒有任何影響。在這種情況下，兩個子系統都在欠載條件下工作，因此兩個子系統DGS單元仍然可以提供更多的額外功率，相當于每個DG機組均分0.2 MW。

慣性是指由雙向轉換器提供的一段短時間內的功率，代表了頻率變化過程中的旋轉質量。從圖5和圖6中可以看到，在t=5 s時，由于直流子網的下垂控制特性，直流電壓跟隨VSM動作并且從直流微網到交流微網的功率轉換用了很短的時間。此外，直流子系統中的DGS單元在暫態擾動下供電，因此直流DGS單元也跟隨VSM動作，直流微網在欠載條件下的母線電壓如圖7所示。

圖7 直流微網在欠載條件下的母線電壓

3 結 語

介紹了交直流混合微電網中基于VSM的集成電路控制，VSM控制策略在不同的負載情況下，保證了交流和直流子網之間精確的雙向功率潮流。

對基于BC的兩種不同控制結構的混合微網進行了研究和比較，實驗研究表明，在不同負載條件下，由于交流電壓降低負荷，VSM算法比只使用電流控制回路更有效。仿真結果表明，所提出的控制策略提高了整個混合微電網的性能。通過在PSCAD/EMTDC環境下模擬測試系統，驗證了VSM控制算法對混合微電網的影響。