虛擬同步發電機的并聯控制策略研究

王亞楠 晏鵬博

摘? 要：針對基于虛擬同步發電機運行的逆變器并聯控制策略進行研究，分析了微電網中逆變器并聯功率分配機理。將傳統電力系統中的集中控制方式引入微電網逆變電源中，使逆變器具有同步發電機的大慣量特性，且各并聯逆變器輸出電壓一致，有功功率和無功功率按額定容量比精確分配，并保證并聯逆變器具有良好的動態和靜態特性。最后通過仿真驗證了所提出控制策略的可行性。

關鍵詞：虛擬同步發電機;逆變器并聯;集中式控制方式;功率分配

Abstract：The parallel control strategy of inverters based on virtual synchronous generator operation is studied，and the parallel power distribution mechanism of inverters in microgrid is analyzed. The centralized control method of traditional power system is introduced into the microgrid inverter power supply，which makes the inverter have the characteristics of large inertia of synchronous generator，the output voltage of each parallel inverter is consistent，the active power and reactive power are accurately distributed according to the rated capacity ratio，and the parallel inverter has good dynamic and static characteristics. Finally，the feasibility of the proposed control strategy is verified by simulation.

Keywords：virtual synchronous generator;parallel inverters;centralized control mode;power distribution

0? 引? 言

虛擬同步發電機（Virtual Synchronous Generator，VSG）多臺并聯功率控制方法中，微電網既對功率調度單元進行功率控制，又對調頻調壓單元的電網動態調整，還具有一定魯棒性，并能減少電源設計參數、非線性負荷以及連接阻抗對系統穩定性的影響。如何有效、精確地調節各臺VSG間的功率輸出成為當前的研究重點。文獻[1]提出一種微電網電源的虛擬慣性頻率控制策略，通過提高阻尼比來抑制多機并聯時的系統振蕩問題，實現兩臺VSG的并聯運行，但由于阻尼比系數、慣性時間常數以及調差系數的耦合性較強，給參數設計帶來一定的困難，并且系統整體穩定性還有待考究。文獻[2]設計了一次調壓和二次調壓相結合的電壓控制策略，提出一種新的電壓計算方法，說明VSG的同步電抗可以有效提高無功功率在各逆變器間的分配精度，但未對同步電抗做定量分析。文獻[3]針對一種包含電壓電流環的功率下垂控制器，通過重新設計其等效輸出阻抗，提出的功率控制方法可使無功功率分配不受輸出阻抗變化的影響，并使等效輸出阻抗的幅頻特性在工頻內輸出呈感性、在高頻內呈阻性，以此來滿足下垂方程并實現諧波抑制。文獻[4]針對傳統的逆變器并聯控制存在的問題，在無功電壓下垂環節提出一種電壓恢復調整控制策略，當負載功率變化時，通過電壓恢復控制不斷調整母線電壓，使得逆變器輸出母線電壓相同，提高不同容量逆變器并聯時系統無功功率的分配精度。文獻[5]分析了影響逆變器輸出阻抗的各種因素以及輸出阻抗的不同對不同逆變器功率分配精度的影響，并引入虛擬阻抗;通過對虛擬阻抗的設計，使得逆變器等效輸出阻抗得到控制，在逆變器并聯時功率分配有了較大的改善。文獻[6]針對逆變器并聯存在的問題提出一種VSG算法，在有功下垂環節采用同步發電機的轉子運動方程來調節逆變器輸出的頻率，在無功電壓下垂環節采用比例積分調節器（PI）對電壓進行修正，仿真實驗驗證了提出算法的可行性。文獻[7]詳細分析了將傳統電力系統中的集中式頻率控制引入微電網的可能性，還指出了分散式頻率控制存在的問題，但對VSG不能改變逆變電源過流能力和抗沖擊能力差的問題沒有提出解決方法。

本文基于陜西省教育廳科研計劃項目（新能源電站接口特性的研究），分析了微電網中逆變器并聯功率分配機理，提出一種集中控制方式來實現2臺VSG的并聯控制。有功頻率環節采用電力系統中的集中式頻率控制策略，無功電壓環節采用Q-U下垂控制策略。通過專門設置公共的同步及均流模塊，可以實現各模塊的鎖相環電路輸出電壓的頻率、相位與同步信號的一致，以此增強并聯逆變器的動態性能。最后通過仿真驗證控制策略的可行性。

1? 虛擬同步發電機數學模型

VSG算法是采用同步發電機的二階數學模型，模擬同步發電機的大阻抗、大慣性、自同步等優點，使逆變器具有同步發電機的輸出特性。

假設勵磁和機械轉矩均恒定，采用標幺制法計算同步發電機的二階數學模型如式（1）：

式（1）（2）中：、 分別為d、q坐標系下的同步電抗id、iq分別為d、q坐標系下的電流值;ud、uq分別為d、q坐標系下的電壓值;、 分別為d、q坐標系下的感應電動勢;Tm為機械轉矩;Te為電磁轉矩;D為定常阻尼系數;ω為實際角速度;J為轉動慣量;θ為電角度; 為定子端電壓; 為定子端感應電動勢; 為定子電流;ra為定子電樞電阻。