電壓對稱跌落下VSG自適應無功補償控制策略

黨克， 衣鵬博， 田勇， 劉子源， 劉闖

(東北電力大學電氣工程學院, 吉林 吉林 132012)

0 引 言

伴隨著社會的進步，以太陽能為代表的新能源發(fā)電得到迅速發(fā)展[1]。但需要經(jīng)過電力電子逆變器將其接入電網(wǎng)，和火電機組相比調(diào)頻調(diào)壓能力大幅度下降[2]。為了實現(xiàn)新能源發(fā)電友好并網(wǎng)，有學者提出了虛擬同步發(fā)電機(virtual synchronous generator，VSG)技術[3]，通過VSG技術，分布式電源具備頻率調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)能力，并且能夠為電網(wǎng)提供一定的阻尼和慣性[4]。

本文提出具有自適應無功補償?shù)腣SG控制策略。給出故障期間VSG電壓參考指令的推導，實現(xiàn)無功補償和限制故障電流功能。考慮到電壓故障結束后切換電壓指令可能導致暫態(tài)電流沖擊，通過重賦VSG有功、無功功率參考值，實現(xiàn)無擾切換。最后通過MATLAB/Simulink仿真證明有效性。

1 VSG基本原理

基于VSG的逆變器拓撲結構如圖1所示。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(wǎng)電壓；ia、ib和ic為逆變器輸出三相電流；UDC為直流側(cè)電壓；UPCC為并網(wǎng)公共點處的電壓。

圖1 VSG電路拓撲結構

VSG控制算法由有功-頻率控制和無功-電壓控制兩個環(huán)節(jié)組成，如圖2所示。圖2中：Pe為電磁功率。為了模擬同步發(fā)電機的一次調(diào)頻特性，其表達式如下：

圖2 VSG技術原理

P=Pref+Kf(ω0-ω)

(1)

式中：Kf為下垂系數(shù)；P和Pref分別為有功功率的實際值和參考值；ω和ω0分別為電氣角速度和電網(wǎng)同步角速度。

VSG根據(jù)同步發(fā)電機二階模型來模擬同步發(fā)電機的慣性和阻尼，其轉(zhuǎn)子運動方程為：

(2)

式中：J和D分別為轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)；Ω為機械角速度；Tm和Te分別為機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩；θ為功角。

無功-電壓控制模擬無功功率下垂控制特性，其表達式如下：

(3)

式中：Kq為電壓下垂控制系數(shù);K為積分系數(shù);Um和Uref分別為并網(wǎng)逆變器輸出電壓幅值的實際值與參考值；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。

(4)

綜上所述：通過求得電壓的功角θ、輸出電壓幅值E和式(4)生成三相電壓參考值ea、eb、ec，然后通過電壓電流雙環(huán)控制得到控制信號。

2 對稱故障下VSG控制策略

2.1 VSG電壓參考指令推導

在電壓對稱跌落期間逆變器的最主要任務是限制輸出電流幅值。傳統(tǒng)的低電壓控制策略往往通過重新賦值電流參考指令來控制逆變器輸出電流。根據(jù)國家標準在電壓故障期間逆變器輸出無功電流應滿足[5]：

(5)

式中：UN為電網(wǎng)額定電壓；IN為逆變器額定電流；UN和IN均為標幺值。逆變器輸出的電流應不超過額定電流的1.1倍[6]，故有功電流為:

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(6)

若上述電流參考值直接強加到VSG中會破壞電壓控制型逆變器的電壓源屬性，因此本文根據(jù)式(5)和式(6)及圖3電壓環(huán)可推導出使VSG在電壓故障期間按要求輸出無功電流的q軸電壓參考指令，具體如下。

圖3 電壓電流雙環(huán)控制結構

(7)

同理可推出d軸電壓參考指令：

(8)

式中：Eqref和Edref為電壓故障期間VSG的電壓參考指令在旋轉(zhuǎn)坐標系下q軸和d軸分量；Uq為電網(wǎng)電壓故障期間電網(wǎng)電壓的q軸分量；Ud為電網(wǎng)電壓故障期間電網(wǎng)電壓的d軸分量；Kp為比例控制系數(shù)。

2.2 狀態(tài)跟蹤設置

由瞬間功率理論可知功率計算方法為：

(9)

(10)

式中：Pref和Qref分別為故障狀態(tài)下的有功功率和無功功率參考值；Idref和Iqref為電壓故障期間輸出電流。

本文所提控制策略如圖4所示。當電網(wǎng)電壓跌落時，圖4的兩個開關進行切換，逆變器按電壓跌落深度輸出相應的無功電流，同時VSG的有功、無功參考值變?yōu)镻ref和Qref進行狀態(tài)跟蹤。電壓恢復后，兩個開關再次進行切換。圖4中：P*和Q*為額定有功、無功功率。

圖4 本文控制策略

3 仿真驗證

3.1 仿真工況

利用MATLAB/Simulink進行仿真驗證。主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真主要參數(shù)

3.2 狀態(tài)跟蹤驗證

為了驗證可以控制電流幅值在0.2 s時施加故障。

從圖5(a)可以看到，無論是在電壓故障開始還是結束，基于傳統(tǒng)VSG控制的逆變器輸出電流都會有較明顯的暫態(tài)波動。

圖5(b)為在本文所提控制策略下但不含狀態(tài)跟蹤的電流波形圖。故障發(fā)生后并網(wǎng)電流幾乎無暫態(tài)波動，0.4 s時故障排出后并網(wǎng)電流經(jīng)過較大暫態(tài)沖擊才恢復如初。

從圖5(c)可知，含狀態(tài)跟蹤避免了切換后的電流沖擊。

圖5 三相電流對比

3.3 自適應無功補償驗證

為了驗證能夠根據(jù)電壓跌落深度進行無功補償，在0.2 s、0.4 s時分別對電壓進行跌落。圖6(a)為逆變器輸出有功、無功功率曲線，圖6(b)為U與UPCC對比(標幺值)。由此可見，逆變器輸出無功功率隨著電壓跌落而增加，有功功率隨著電壓跌落而減少，而UPCC受無功功率支撐始終大于U。

圖6 自適應無功補償

4 結束語

(1) 該電壓參考指令既能保證逆變器在電壓故障期間輸出電流幅值符合標準又能保留VSG的電壓源特性，同時根據(jù)電壓跌落深度逆變器輸出相應的無功電流，實現(xiàn)無功功率的自適應補償。

(2) 電壓故障結束時，電壓參考值會由本文推導的電壓參考指令切換成VSG算法生成的電壓參考指令，二者存在差異會產(chǎn)生較大的暫態(tài)電流沖擊。為保證無擾切換，重新給定電壓故障期間的VSG有功、無功功率參考值。