離網VSG逆變器自適應控制策略研究

袁臣虎　段斌偉　劉曉明

摘 ?要： 虛擬同步發電機（VSG）逆變器控制策略將同步發電機轉動慣量和阻尼系數參數引入到逆變器控制中，為了進一步提升VSG的頻率動態調節性能，文中提出一種離網VSG逆變器轉動慣量和阻尼系數一同自適應控制策略。分別建立VSG逆變器轉動慣量與角頻率變化率和阻尼系數與角頻率偏差量之間的自適應函數關系，搭建該自適應控制策略的仿真模型。仿真結果表明，改進的VSG控制策略能夠根據負載擾動引起的頻率變化率和偏差量自適應調節轉動慣量和阻尼系數，減小頻率變化率和頻率的絕對偏差，從而改善逆變器的頻率動態響應特性。

關鍵詞： VSG逆變器; 自適應控制; 轉動慣量; 阻尼系數; 自適應函數; 仿真實驗

中圖分類號： TN850.3?34; TM464 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）24?0022?04

Research on self?adaptive control strategy of off?grid VSG inverter

YUAN Chenhu， DUAN Binwei， LIU Xiaoming

（School of Electrical Engineering and Automation， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China）

Abstract： The control strategy of virtual synchronous generator （VSG） inverter introduces the rotational inertia and damping coefficient parameter of the synchronous generator into the inverter control. A self?adaptive control strategy of the rotational inertia and damping coefficient parameter of off?grid VSG inverter is proposed to further improve the frequency dynamic adjustment performance of the VSG inverter. The adaptive function relationship between rotational inertia and angular frequency change ratio of the VSG inverter， and damping coefficient and angular frequency deviation value is established， respectively. The simulation model of the self?adaptive control strategy is built. The simulation results show that the improved VSG control strategy can adaptively adjust the rotational inertia and damping coefficient according to the frequency change rate and deviation value caused by the load disturbance， which reduces the frequency change ratio and the absolute deviation of frequency. Thus， the frequency dynamic response of the inverter is improved.

Keywords： VSG inverter; self?adaptive control; rotational inertia; damping coefficient; self?adaptive function; simulation experiment

0 ?引 ?言

隨著我國傳統能源的逐漸枯竭，以大型新能源發電為技術主體的分布式發電和新型微電網融合技術逐漸興起[1?2]。而逆變器是分布式電源和整個微電網之間的重要接口。常見的逆變器控制方法有： PQ控制、VF控制和Droop控制。PQ控制輸出的功率維持恒定，但它不具備調頻調壓的能力。VF控制能為系統提供穩定的頻率及電壓，但它適用于離網的小容量逆變器且不能兼顧負荷變化。Droop控制雖然具有一次調頻的性能，但是其控制器輸出的頻率對負荷的波動敏感，抗干擾能力也比較弱。而虛擬同步發電機（VSG）技術將同步發電機轉動慣量和阻尼系數參數引入到逆變器控制中，從而使逆變器具備了調壓調頻的能力，提升了逆變器的頻率動態響應特性，增強了逆變系統的穩定性[3?5]。

當外部環境擾動較大時，VSG仍然有可能會出現頻率的大幅波動，甚至會造成系統失穩[6]。為此本文提出一種離網VSG逆變器轉動慣量和阻尼系數一同自適應的控制策略，通過建立離網VSG轉動慣量與角頻率變化率和阻尼系數與角頻率變化偏差量之間的一同自適應控制函數關系，進而設計VSG轉動慣量、阻尼系數的自適應逆變器頻率調節控制模型，搭建該策略的仿真模型。通過仿真驗證了轉動慣量和阻尼系數協調自適應控制策略的可行性，改善了頻率的動態響應特性，保證了系統的穩定性。

1 ?VSG基本原理

1.1 ?VSG數學模型

VSG的實質就是將同步發電機轉動慣量和阻尼系數參數引入到逆變器控制中，圖1為VSG的基本結構。其中，[Udc]為逆變器直流側的等效電源，逆變器輸出的三相電壓[ea]，[eb]，[ec]等效為虛擬同步機的輸出電動勢，[ua]，[ub]，[uc]為負荷電壓，R，L和C分別為濾波電感內阻、濾波電感及濾波電容，E，δ為VSG輸出的參考電壓幅值及相位角。

由同步發電機的二階模型[7]可得VSG定子電磁方程和轉子運動方程如下：

[E=U+Ira+jxtJdωdt=Pm-Pω-Dω-ω0dθdt=ω] （1）

式中，[ra]，[xt]分別為VSG電樞電阻和同步電抗;[Pm]，[P]分別為VSG機械功率和實際輸出功率;[J]為轉動慣量;[D]為阻尼系數;[ω]為實際角頻率;[ω0]為額定角頻率;[θ]為角度。

1.2 ?傳統離網VSG控制策略

VSG是在下垂控制的基礎上模擬同步發電機的轉動慣量和阻尼系數，從而滿足離網系統在電能質量中的電壓和頻率要求。離網狀態時，功率是根據負荷的變化而變化，VSG有功調頻的控制方程為：

[Pm=Pref+Kωω0-ω] ? ? ? ? ?（2）

聯立式（1）和式（2）可得VSG輸出角頻率的表達式為：

[ω=KωJω0s+Dω0ω-ω0+1Jω0s+Dω0Pref-P+ω0] ?（3）

式中：[Pref]為參考功率;[ω]為實際角頻率;[ω0]額定角頻率;[Kω]為功頻調差系數。

將式（3）整理為含慣性環節的形式為：

[ω0-ω=-1Jω0s+Dω0Pref-P ? ? ? ? ? ? =-mτs+1Pref-P] ?（4）

[τ=Jω0Dω0+Kωm=1Dω0+Kω] （5）

式中：[τ]為慣性時間系數;[m]為有功頻率下垂系數。離網VSG控制技術實質上是逆變器模擬同步發電機的轉動慣量和阻尼系數，與傳統有功頻率控制相比，采用VSG有功控制相當于在下垂控制的基礎上增加一階慣性環節，這樣當負載擾動較大的時候能夠減緩頻率的變化，增強逆變系統的穩定性[8]。

2 ?J，D頻率調節的控制原理

VSG和下垂控制相比，頻率響應特性得到進一步提高。VSG的功角曲線、角頻率振蕩曲線如圖2所示。圖中，當VSG的參考功率從[P1]增加到[P2]時，系統穩態點從點A變化到點B，在整個變化過程中角頻率為衰減振蕩。當負載擾動較大而引起頻率發生大幅波動時，其幅值可能會超出允許的范圍。

2.1 ?J，D自適應函數的建立

將VSG角頻率振蕩的過程分為4個階段： ①[t1]—[t2]，②[t2]—[t3]，③[t3]—[t4]，④[t4]—[t5]。在階段①內，VSG的轉子角頻率大于額定角頻率且逐漸增加，角頻率的變化率[dω/dt]先增加再減小，因此在階段①內需要通過增大轉動慣量J來減緩角頻率的變化率[dω/dt]以及增大阻尼系數D減少角頻率偏差量[Δω];在階段②內，虛擬轉子角頻率的變化率[dω/dt<0]，角頻率[ω]由極大值逐漸減小，但是[ω>ω0]，該階段宜采用適當的轉動慣量值，使得角頻率能夠回到額定值，同時當角頻率偏差量[Δω]偏離較大時應該增大阻尼系數以防止角頻率的偏差量過大;階段③和④的轉動慣量和阻尼系數的選取也類似。

在不同階段，VSG轉動慣量和阻尼系數的選取原則如表1所示。

根據表1的選取原則以及轉動慣量J和VSG角頻率變化率[dω/dt]之間的關系、阻尼系數D和VSG角頻率偏差量[Δω]之間的關系，確定J和D一同自適應控制函數如下：

[J=J0， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?dωdt≤TjJ0+Kjdωdt， ? dωdt>Tj] ? ? ?（6）

[D=D0， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Δω≤TdD0+KdΔω， ?Δω>Td] ? ? ?（7）

式中：[J0]和[D0]分別為VSG穩態運行時的轉動慣量和阻尼系數值;[Kj]和[Kd]分別為轉動慣量和阻尼系數的調節系數;[Tj]和[Td]為變化閾值，選取合適的值可以避免系統判斷誤差造成的轉動慣量J和阻尼系數D的波動。

2.2 ?J，D自適應控制原理框圖建立

根據上面轉動慣量J和阻尼系數D自適應控制函數進而設計了J和D自適應控制原理框圖，如圖3所示。

3 ?VSG自適應控制策略仿真驗證

3.1 ?仿真工況

為了檢驗本文提出的改進離網VSG逆變器自適應控制策略的有效性，搭建單臺離網VSG逆變器運行的仿真模型。仿真參數如下：f=50 Hz，L=0.2 H，C=10 μF，[Udc]=800 V，[ω0]=314 rad/s，[J0]=0.5 kg·m2，[D0]=20 [N?m?s/rad]，[Tj]=2，[Td]=0.2，[Kj]=0.2，[Kd]=10。仿真時間設為1 s， VSG初始時刻帶12 kW的負載運行，0.3 s時負載切除6 kW，0.6 s后負載恢復為12 kW。利用仿真實驗來模擬負載擾動所帶來的頻率穩定性問題。

3.2 ?仿真結果對比

圖4為在不同的控制策略下VSG輸出頻率的對應曲線。當離網負載的輸入功率突減時，本文分別采用參數恒定VSG控制、轉動慣量自適應控制以及轉動慣量和阻尼系數一同自適應控制策略，最后對比不同的控制策略下的輸出頻率曲線。

由圖4a）可知，轉動慣量自適應VSG控制相對參數恒定VSG控制的方式，其頻率變化率的影響明顯。當離網負載的輸入功率突減時，參數恒定控制方式下的VSG輸出頻率變化率比較快，不利于系統的穩定，而使用轉動慣量自適應VSG控制策略時，其輸出頻率變化率比較緩慢，有利于離網系統的正常穩定運行。由圖4b）對比可知，轉動慣量J和阻尼系數D一同自適應控制相對參數恒定VSG控制的方式，其控制策略既減緩了輸出頻率的變化率又減小了頻率偏差，而頻率偏差的減小就是因為引入了阻尼系數自適應控制，阻尼系數D自適應增大對頻率偏差抑制很明顯。此外，為了體現暫態過程中轉動慣量和阻尼系數自適應調節的過程，圖5和圖6給出了兩者的變化過程。

圖5中轉動慣量在自適應調節的過程中出現尖刺是在輸出頻率的拐點處VSG轉子角頻率過渡不平滑引起的。可以看出，當VSG有功功率突減時，頻率上升，轉動慣量增加，阻尼系數也增加，避免了頻率迅速上升以及頻率偏差過大，從而改善了系統頻率的動態響應特性。

綜上，相比于參數恒定VSG控制和轉動慣量自適應VSG控制，轉動慣量和阻尼系數一同自適應的控制策略有更好的頻率動態調節性能，既減緩了輸出頻率的變化率又減小了頻率偏差，從而改善了逆變器的頻率動態響應特性，增強了逆變系統的穩定性。

4 ?結 ?論

離網系統負載擾動會引起系統頻率波動甚至不穩定，本文通過研究虛擬同步發電機的控制策略，提出一種離網VSG逆變器轉動慣量和阻尼系數一同自適應的控制策略，得到如下結論：

1） 改進的自適應控制策略不僅實現了自適應調節轉動慣量，而且還實現了阻尼系數的實時自適應調節，既減緩了輸出頻率的變化率又減小了頻率偏差。

2） 改進的控制策略能夠使逆變器系統輸出頻率維持在合理的范圍內，進一步改善系統頻率的動態響應特性，增強逆變系統的穩定性。

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作者簡介：袁臣虎（1979—），男，河北邯鄲人，博士，碩士生導師，副教授，研究方向為電能變換、新能源發電技術。

段斌偉（1993—），男，山西太原人，碩士研究生，研究方向為電能變換、新能源發電技術。

劉曉明（1968—），女，遼寧沈陽人，博士，博士生導師，教授，研究方向為斷路器、智能電氣、高壓電與絕緣技術。