基于電網電壓前饋的VSG平衡電流控制策略

黨 克, 田 勇

(東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012)

0 引 言

隨著化石燃料的開采以及溫室效應的加劇，傳統發電行業的發展受到限制，以太陽能、風能為代表的新能源發電等分布式電源得到大力發展[1]。雖然新能源發電具有低碳環保、取之不盡等優點，但其不具備火電機組頻率調節和電壓調節的能力。隨著新能源發電在電網中的比重不斷提高，傳統的旋轉備用容量和轉動慣量相對減少，對電網的安全穩定運行造成威脅[2]。為了實現新能源發電友好并網，文獻[3]提出虛擬同步發電機(VSG)技術，通過將同步發電機的二階經典模型引入到逆變器的控制算法中，使分布式電源能夠模仿同步發電機外特性運行，從而使新能源發電具備頻率調節和電壓調節能力并且能夠為電網提供一定的阻尼和慣性[4]。文獻[5]給出了基于VSG技術光伏發電系統的數學模型和建模方法，對VSG 4種運行模式進行仿真分析。文獻[6]通過改變慣量系數提高VSG在弱電網下的頻率穩定性。文獻[7]利用模糊控制理論改進VSG的電壓電流雙環控制，提高VSG動態響應速度。文獻[8]在頻率給定值后加入積分環節，電網頻率發生偏移時提高VSG的頻率和有功功率穩定性。文獻[9]提出自適應轉動慣量和阻尼系數控制策略，抑制擾動下有功、頻率波動。

目前，電網正常運行時的VSG技術已經較為成熟，但針對電網電壓不平衡時VSG的控制策略研究較少。文獻[10]給出了抑制并網電流負序分量、抑制有功功率波動和抑制無功功率波動這3種控制目標負序電流指令計算方法和VSG控制結構。文獻[11]重新設計了負序電流控制結構，將3種控制目標整理成統一表達式，實現了3種控制目標平滑切換及功率和電流的協調控制，但過多的正負序分離計算會導致控制延時。文獻[12-13]通過線路方程將VSG電壓參考值轉化成電流正序參考指令，從而引入電流控制結構，實現對負序電流的抑制，線路參數的不準確性影響控制效果。文獻[14]利用動態電壓補償限制負序電流和峰值電流，達到三相電流平衡的目的，但電壓信號計算過于復雜，實現較為困難。

以抑制負序電流為控制目標的多數控制策略均需要采用的正、負序雙電流控制環，增加了控制結構的復雜程度。本文提出基于電網電壓前饋的VSG控制策略，保證VSG在不平衡電壓下輸出三相電流依然保持平衡，減小逆變器輸出有功功率、無功功率的波動，不需增加額外的控制結構。將電網電壓經過前饋控制器前饋至VSG電流內環，降低故障電壓對逆變器輸出電流的不良影響，利用有功功率和無功功率的平均值生成正序電流參考指令，使三相電流保持平衡。最后，通過MATLAB/Simulink仿真證明本文所提策略的有效性和可靠性。

1 VSG基本原理

基于VSG技術的三相電壓源式逆變器電路拓撲結構如圖1所示。VSG控制算法根據并網公共連接點(PCC)處的有功、無功功率生成逆變器輸出電壓矢量信號，通過電壓電流雙環控制結構生成電壓控制信號，再經過正弦脈寬調制(SPWM)后產生相應的脈沖來控制逆變器開關。圖1中，L、C和Lg分別為濾波電感、電容和線路電感；ea、eb和ec為逆變器輸出三相電壓；ua、ub和uc為三相電網電壓；ia、ib和ic為逆變器輸出三相電流；UDC為直流側電壓；Upcc為并網公共連接點處的電壓。

圖1 VSG電路拓撲結構

VSG控制算法由功頻、勵磁2個環節組成，如圖2所示。其中，Pe為電磁功率。

圖2 VSG原理圖

為了模擬同步發電機的一次調頻特性，功頻環節含有頻率、有功下垂控制，表達式如下[15]：

P=Pref+Kf(ω0-ω)

(1)

式中：Kf為下垂系數;P、Pref分別為有功功率的實際值和參考值。

VSG根據同步發電機二階模型來模擬同步發電機的慣性和阻尼，其轉子運動方程為

(2)

式中：J、D分別為轉動慣量和阻尼系數；Ω、ω分別為機械角速度和電氣角速度，當同步發電機的極對數為1時二者相等；Tm、Te分別為機械轉矩和電磁轉矩；θ為功角；ω0為電網同步角速度。

勵磁環節模擬無功功率下垂控制特性，表達式如下[16]：

(3)

式中：K為積分系數;E為VSG輸出電動勢；Qref和Q分別為無功功率參考值和實際值；Kq為電壓下垂控制系數;Um、Uref分別為并網逆變器輸出電壓幅值的實際值與參考值。

綜上所述，有功-頻率環節生成逆變器輸出電壓的功角θ*，無功-電壓環節生成逆變器輸出電壓幅值E*，二者經過式(4)生成三相電壓參考值e*，再通過電壓電流雙環控制得到控制信號:

(4)

2 電壓前饋控制策略

在電網電壓不平衡期間，欲使故障電壓不影響逆變器輸出電流質量，將電網電壓作為擾動量經前饋控制器引入電流內環，推導出前饋控制器的傳遞函數，以降低故障電壓的干擾。

2.1 前饋控制器傳遞函數的推導

圖3 電網電壓前饋控制框圖

(5)

式中：UDC為直流母線電壓值;Utri為三角載波的幅值。

根據圖3可得如下方程組:

(6)

對式(6)進行整理可得id具體表達式：

(7)

在含有Ud項的系數中只有H(s)為可變量，為了避免電網電壓對逆變器輸出電流的不良影響，應使Ud對id完全補償即k為零，即可計算出前饋控制器的傳遞函數：

(8)

式(8)分子中含有二階微分項，這不僅在實際工程中難以實現，而且在電網電壓跌落瞬間微分項會使前饋信號趨近于無窮大，危及系統的穩定運行。

根據階躍響應的終值定理，在電壓電流穩態時將式(8)化簡為

(9)

2.2 電流參考值的選取

根據式(7)可知逆變器輸出電流不僅受電網電壓的影響還與電流參考值密切相關，而電網電壓不平衡會影響電流參考值的準確性。不對稱故障、三相負載不平衡會導致電壓的不平衡，不平衡度為

(10)

式中：下標“d”和“q”分別代表旋轉坐標系下的d軸分量和q軸分量；上標“+”和“-”分別代表正序分量和負序分量。

由VSG原理可知逆變器輸出有功功率和無功功率分別反饋到功頻模塊和勵磁模塊生成電壓參考值，電壓參考值再經過電壓控制環生成電流參考值。然而在電壓不平衡期間逆變器輸出復功率為[18]

S=P+jQ=1.5UI*=1.5×

(11)

式中：U、I分別為電網電壓和并網電流;上標“*”代表共軛。

將式(11)寫成瞬時功率形式：

(12)

式中：P0、Q0為有功、無功的平均值；Pc2、Qc2和Ps2、Qs2為有功、無功的波動項幅值。

具體值為

(13)

由式(13)可知消除負序電流可減輕瞬時功率振蕩。

此時如果有功功率和無功功率的倍頻分量反饋到VSG算法中會使電壓參考值產生波動，進而使電流參考值發生波動，三相電流依然無法保持平衡。傳統控制策略斷開電壓外環后通過有功、無功參考值與電壓正序分量重新計算出電流參考值，但失去了VSG模擬同步發電機的意義。本文將瞬時有功、無功的平均值反饋到VSG算法中，既能得到恒定的電壓參考值又能保留VSG的慣性特征。

計算有功、無功功率的平均值需使用正負序分離技術，本文采用降階廣義積分器[19](ROGI)對電網正負序電壓進行分離。與傳統的二階廣義積分器(SOGI)相比，ROGI的主要特點是計算速度快，結構易于工程實現。ROGI的傳遞函數為

(14)

式中：ω0為ROGI的諧振頻率，一般取電網基波角頻率。

在ω0處ROGI的增益較大，而在其他處ROGI的的增益較小幾乎為零，由此可見，角頻率和電網基波角頻率相等的正序電壓可快速被分離出來。

綜上所述，不平衡電壓下的VSG電壓前饋控制結構如圖4所示。瞬時功率的平均值P0和Q0經VSG算法生成穩定的電壓參考值相角θ和幅值E，經電壓環和電流環產生電壓控制信號，電網電壓經過前饋控制器前饋到電流環中。當電壓不平衡時前饋控制器生效，不需要模式切換，對任何類型的不平衡故障均有效。圖4中，P為比例控制，PI為比例積分控制，避免雙比例積分控制環節使回路產生振蕩；u為電網電壓；PLL為鎖相環；ω為電角度。

圖4 電壓前饋控制

3 仿真與驗證

3.1 仿真工況

利用仿真軟件MATLAB/Simulink搭建VSG并網模型(如圖1)，在施加電網電壓不平衡故障后分析VSG輸出電流、有功功率及無功功率曲線，對所提策略的有效性進行驗證。仿真主要參數如表1所示。

表1 仿真主要參數

3.2 仿真結果

圖5(a)為電網A相電壓在0.2 s跌落50%時逆變器輸出三相電流波形圖。電網電壓正常下并網電流三相對稱，故障發生后A相電流和C相電流幅值驟增，B相電流幅值減小，三相電流出現嚴重畸變。由圖6(a)可以看出，采用本文所提策略后實現三相電流達到平衡。諧波分析結果表明，2次諧波含量為1.4%，0次諧波含量為0.9%，總諧波畸變率(THD)為2.56%，小于GB/T 14549—1993規定的5%。

圖5 傳統VSG控制策略仿真結果

圖5(b)為電壓故障下的有功功率曲線。電網電壓平衡時逆變器輸出有功功率為25 kW，故障后有功功率存在2倍頻振蕩。由圖6(b)可知采用所提策略抑制負序電流后有功功率振蕩部分減小，在20～30 kW之間波動。

圖5(c)為電壓故障下的無功功率曲線。電壓未發生故障時逆變器輸出無功功率為零，故障發生后無功功率驟升而且大幅度波動。由圖6(b)可知，采用所提策略后無功功率振蕩范圍大大縮小。

圖5(d)為電壓故障下的頻率曲線，已經超出(50±0.2)Hz范圍，由圖6(d)可知，采用所提策略后頻率依然符合GB/T 15945—2008規定的“我國電網頻率正常為50 Hz”。

圖6 基于電壓前饋的VSG控制策略仿真結果

3.3 不同前饋控制策略對比

圖7是并網三相電流波形圖。當電網A相電壓在0.2 s跌落至零后，VSG輸出電流幅值驟增且嚴重畸變。圖8是采用不含前饋控制器的傳統前饋控制策略，雖然電流幅值得到限制，但諧波含量較高，THD為4.1%。而由圖9可知采用所提策略后電流諧波含量較低，THD為2.55%。

圖7 并網三相電流波形

圖8 傳統前饋控制策略電流諧波分析

圖9 本文所提前饋控制策略電流諧波分析

4 結 語

本文把電網電壓作為擾動量，將其經前饋控制器引入VSG的電流內環，通過電流內環的控制框圖推導出前饋控制器的傳遞函數，同時利用有功、無功功率的平均值使VSG算法生成正序電流參考指令，保證三相電流平衡。得出如下結論：

(1)由于前饋控制器的存在，大大降低了不平衡電壓對逆變器輸出電流的不良影響，并網電流只因電流參考指令的改變而發生變化。

(2)電網電壓不平衡時逆變器輸出功率發生波動導致電流參考值波動，影響前饋控制策略的效果。以瞬時功率的平均值反饋到功頻、勵磁環節得到恒定的電流參考值，保證了VSG的慣性不變。