交直流混合微電網并聯接口變換器的VSG控制策略*

范廣勝, 朱 琳, 封洋燚, 王 鵬, 徐海瑞

(1.東北電力大學 現代電力系統仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室，吉林 吉林 132012；2.國家能源投資集團有限責任公司邯鄲熱電廠，河北 邯鄲 056000；3.河北華電石家莊熱電有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引 言

隨著微電網的大力發展，分布式電源(DG)在微電網中的滲透率逐漸增大[1-3]。現有DG大多數屬于直流型電源，同時越來越多的負載是需要直流供電而不是交流供電，通過直流微電網連接直流負載，可以減少電力電子元件的變換過程的能量損耗[4-6]。然而，交流配電目前占主導地位，并且將持續數十年。因此，更可能的情況是同時存在直流子電網和交流子電網，以及電源、儲能和負載之間的適當分布。可通過接口變換器將子電網連接在一起，形成交直流混合微電網[7-9]。

由于交直流混合微電網的接口變換器能夠實現整流模式、逆變模式、切換模式3大功能，相對于傳統的交流微電網或者直流微電網來說，其控制方法比較復雜。目前常用的交直流混合微電網接口變換器的控制策略主要包括歸一化下垂控制策略、雙向下垂控制策略、虛擬同步發電機(VSG)控制策略等。

文獻[10-12]提出歸一化控制策略，分別從直流子網、交流子網中提取具有代表性的物理量即直流母線電壓與交流母線頻率，將兩者輸送到歸一化公式中，進行量綱統一處理，并將兩者歸一化之后的差值輸入到比例積分控制器，從而獲得接口變換器傳輸有功功率的參考值，但是該控制策略應用在多臺并聯的接口變換器時，各接口變換器之間會產生循環功率問題。文獻[13]提出一種雙向下垂控制策略，接口變換器采用有功-直流電壓與有功-交流頻率下垂控制策略，通過控制直流母線電壓與交流母線頻率的變化來功率的雙向流動，然而，該控制策略應用在多臺并聯的接口變換器時，各接口變換器之間的功率分配精度較低。文獻[14]提出一種新型下垂控制策略，對交流頻率、直流電壓進行歸一化處理，然后將處理的結果與功率-電壓下垂控制、功率-頻率下垂控制相結合，實現接口變換器之間的功率分配。但是，該控制策略僅適用于控制從直流側到交流側的功率流，并且沒有任何機制可通過交流電源支持直流電網。文獻[15]在文獻[13]的基礎上，提出了小交流信號注入接口變換器的控制方法。在該方法中，小交流信號的頻率與接口變換器輸出基波電壓的下垂偏置成下垂關系，可使變換器輸出的電壓和頻率恢復到額定值附近，但是，并聯接口變換器之間的功率分配精度較低，且在投切負荷的瞬間，直流母線電壓與交流母線頻率波動較大，不利于系統的穩定性。以上所采用的算法可歸納為：下垂控制策略為基礎，幾乎不能為交直流混合系統提供慣性。為此，文獻[16]提出了交直流微電網中具有同步發電機特性的接口變換器的控制策略，該方法將同步發電機技術應用于接口變換器控制系統，通過模仿同步發電機來改善不良的動態直流電壓與頻率穩定性。但是，該控制策略應用在多臺并聯的接口變換器時，各接口變換器之間同樣會產生循環功率問題，以及并聯接口變換器功率分配精度較低問題。

為了克服文獻[10-12]的缺陷，在文獻[15-16]的基礎上，本文提出了交直流混合微電網并聯接口變換器的VSG控制策略。該控制策略可以解決并聯接口變換器循環功率問題，提高系統的慣性，實現了并聯接口變換器按照各自容量比進行功率分配。最后，通過仿真，對比了所提控制策略與傳統控制策略的控制效果。

1 歸一化下垂控制策略的原理

歸一化下垂控制策略控制框圖[10-12]如圖1所示。該控制策略是將直流母線電壓與交流母線頻率代入對應的歸一化公式，得到2個可進行數學運算的量。歸一化的直流母線電壓Udc,pu定義為

(1)

式中：Umax、Umin分別為直流母線電壓的最大值和最小值。

歸一化的交流母線頻率fac,pu可定義為

(2)

式中：fmax、fmin分別為交流母線頻率的最大值與最小值。

圖1 歸一化下垂控制策略控制框圖

交流母線頻率與直流母線電壓進行歸一化處理之后，直流側到交流側的傳輸功率PIC可表示為

PIC=Kic(Udc，pu-fac，pu)

(3)

式中：Kic為接口變換器的下垂系數。

由式(3)可得出，如果交流側的歸一化頻率值等于直流側的歸一化電壓值，即Udc,pu=fac,pu，此時PIC=0，功率不進行轉移；如果直流負載增加，則Udc,pu減小，此時PIC<0，功率應從交流子微網轉移到直流子微網；如果交流負載增加，則fac,pu減小，此時PIC>0，功率應從直流子微網轉移到交流子微網。

在dq參考坐標系中，傳輸有功功率計算式為

(4)

式中：id、ud是接口變換器交流電流和電壓的d軸分量。

結合式(3)和式(4)，可得接口變換器的參考電流為

(5)

當交流負載或者直流負載變化較大時，單個接口變換器不足以傳遞足夠的功率，此時應該增加接口變換器的數量，本文以并聯接口變換器為例進行分析。交直流混合微電網采用2個接口變換器并聯運行，如圖2所示。會出現以下問題：

(1) 由于直流側線路電阻的影響，不同接口變換器的直流端電壓具有不相同的值，因此根據式(5)，接口變換器無法分擔與相應的下垂系數成比例的負載。

(2) 由于直流側線路電阻的影響，一個接口變換器的Udc,pu可能高于fac,pu，而另一個接口變換器的Udc,pu可能低于fac,pu。因此，一個接口變換器將有功功率從直流子微網傳遞到交流子微網，而另外一個則將功率從交流子微網傳輸到直流子微網，說明有功功率在交流子微網和直流子微網之間循環。循環功率將增加系統和接口變換器的損耗，占用接口變換器的容量并產生過應力問題。

(3) 歸一化的下垂控制幾乎不能為系統提供慣性。當系統負載發生變換時，瞬時波動較大，會對系統的穩定性造成一定得影響。

如果上述3個主要問題能夠得到有效解決，交直流混合微電網系統的性能將會得到改善。

圖2 混合微電網的簡化拓撲圖

2 基于VSG并聯接口變換器的控制策略

2.1 消除直流側線路電阻對接口變化器的影響

第1節中提到，直流側線路電阻對并聯接口變化器影響較大。要想消除影響，應將局部母線直流電壓變為全局直流疊加頻率[17-19]。文獻[17-19]從概念上解釋了直流頻率下垂控制方法，但是局限于直流微電網的功率分配控制。本文受文獻[17-19]的啟發，設計了將小交流電壓信號源注入DC/DC轉換器中，相當于在直流DC/DC轉換器的電壓上疊加一個直流頻率，其中直流頻率與相應的輸出功率成比例。因此，轉換器與基于疊加頻率的下垂方法一起被協調。此外，因為注入的疊加頻率對于接口變換器均具有相同的值，所以接口變換器將不受直流側線路電阻的影響。

DC/DC轉換器的頻率下垂控制如圖3所示。在直流電壓上加一個小交流電壓信號源，其頻率與相應的輸出功率成正比，滿足如下方程：

fdc=fmax-KdcPdc

(6)

式中：fdc為直流疊加頻率；Kdc為下垂系數；fmax為空載時的最大頻率。

圖3 DC/DC轉換器的頻率下垂控制

2.2 系統慣量補充

第1節中提到了傳統的歸一化控制策略在交直流側負荷變化的瞬間，幾乎不能為系統提供一定的慣量和緩沖時間，對系統沖擊較大，可能損壞設備。為了解決這個問題，文獻[16]提出在交直流微電網中具有同步發電機特性的接口變換器的控制策略，為交直流混合系統提供了一定的慣量，本文采用了類似的思想，對系統的慣量進行補充。但是如果能與2.1節所提基于頻率疊加的控制方法結合起來，系統性能會進一步得到完善。根據歸一化控制策略思路，將直流子網的疊加頻率與虛擬同步機的虛擬頻率差值作為VSG的機械力矩，不但為系統提供了一定的慣量，而且解決了循環功率問題，最終實現各接口變換器按額定容量傳輸有功功率。

本文最終提出的交直流混合微電網并聯接口變換器的VSG控制策略控制框圖如圖4所示。

圖4 基于VSG的IC控制策略

該控制策略需要用到如下數學方程：

(7)

(8)

(9)

Ei=E0+KE(UN-Ug)

(10)

式中:Ji為轉動慣量；ωN為額定頻率；KP,i為功率誤差增益；PIC,i為傳輸功率值；Ei為虛擬電動勢；KE為交流母線電壓誤差增益；UN為額定交流電壓有效值；Ug為交流母線電壓有效值。

功率誤差增益應滿足：

(11)

穩定情況下dωi/dt=0，即：

PIC,i=KP,i(fdc_pu-fpu1)

(12)

由于所有的接口變換器均并聯在相同的交流母線上，則穩態時虛擬頻率的測量值相等，即：

fpu1=fpu2

(13)

由于小交流信號電壓源的注入，使fdc_pu在直流微網中成為全局變量，即：

fdc_pu1=fdc_pu2

(14)

聯立式(11)～式(14)可得：

(15)

式中:Si為各接口變換器額定容量。

由式(15)可知：穩定狀態下各IC傳輸的有功功率之比近似等于其額定容量之比。

3 仿真分析

利用MATLAB/Simulink 軟件，搭建交直流混合微網并聯接口變換器的仿真平臺，仿真參數如表1所示。

微電網的運行方式主要有2種：并網模式與孤島模式。在孤島模式下對接口變換器采用傳統控制策略以及本文所提出的控制策略進行仿真分析。

表1 仿真參數

逆變模式下仿真結果如圖5～圖9所示。

圖5 逆變模式下交、直流電源發出的功率

圖6 逆變模式下接口變換器的傳輸功率

圖7 逆變模式下直流母線電壓的變化情況

在0.2～1.2 s時間段，交直流混合微電網中直流負載為0.5 kW，交流負載為3 kW，直流電源發出1.37 kW的有功功率，交流電源發出2.125 kW有功功率，如圖5所示。接口變換器1與接口變換器2分別從直流側向交流側傳遞663、210 W功率；直流電壓穩定在約399 V，接口變換器1的直流端口電壓的歸一化值、交流母線頻率的歸一化值、接口變換器2的直流端口電壓的歸一化值的大小關系：Udc1>Udc2>fac。

圖8 逆變模式下交流母線頻率的變化情況

圖9 逆變模式下參數歸一化值的比較

接口變換器1與接口變換器2的額定容量比為2…1，按照前文的理論分析可得出：二者的傳輸有功功率之比應為2…1，而實際接口變換器1與接口變換器2傳輸有功功率之比為663…210≈3…1。說明直流側線路電阻不同，接口變換器的端電壓不同，導致并聯接口變換器的有功功率分配精度較低。同時，根據Udc1>Udc2>fac，判斷并聯接口變換器處于逆變模式。

在1.2～1.8 s時間段，交直流混合微電網中直流負載為2 kW，交流負載為3 kW，直流電源發出2.24 kW的有功功率，交流電源發出2.75 kW的有功功率；接口變換器1與接口變換器2分別由直流側向交流側傳遞352、-110 W有功功率，直流電壓變為約397 V，接口變換器1的直流端口電壓的歸一化值、交流母線頻率的歸一化值、接口變換器2的直流端口電壓的歸一化值的大小關系為Udc1>fac>Udc2。

接口變換器1與接口變換器2傳輸的有功功率分別為352、-110 kW，對應逆變模式與整流模式，比值近似為3…1，說明直流側線路電阻不同，接口變換器的端電壓不同，導致并聯接口變換器之間產生了循環功率。循環功率不但降低了并聯接口變換器的有功功率分配精度，而且增加接口變換器的損耗，縮短接口變換器的壽命，并占用接口變換器的容量。

在1.8～2.6 s時間段，交直流混合微電網中直流負載變為3.5 kW，交流負載為3 kW，直流電源發出3.26 kW的有功功率，交流電源發出3.24 kW的有功功率，接口變換器1與接口變換器2分別由交流側向直流側傳遞-180、-56.25 W的有功功率，直流電壓約為391.5 V，接口變換器1的直流端口電壓歸一化值、交流母線頻率的歸一化值、接口變換器2的直流端口電壓的歸一化值的關系：fac>Udc1>Udc2。

接口變換器1與接口變換器2傳輸有功功率之比為-180…-56.25≈3…1，且均處于整流模式。說明直流側線路電阻不同，接口變換器的端電壓不同，導致有功功率分配精度較低。

觀察圖6～圖8的拐點處可知，負載變化會導致直流母線電壓、交流母線頻率存在驟降狀態，同時傳輸功率存在一定的超調量。

整流模式下仿真結果如圖10～圖14所示。

在0.2～1.2 s時間段，交直流混合微電網中直流負載為0.5 kW，交流負載為3 kW，直流電源發出1.4 kW的有功功率，交流電源發出2.13 kW的有功功率，如圖10所示。接口變換器1與接口變換器2分別由直流側向交流側傳遞581、291 W的有功功率，直流電壓穩定在約400 V，接口變換器的直流端口頻率的歸一化值、交流母線頻率的歸一化值的大小關系為fdc>f2=f1。

圖10 整流模式下交、直流電源發出的功率

接口變換器1與接口變換器2的額定容量比為2…1，按照前面的理論分析可以得出：二者的傳輸有功功率之比為2…1，而此時實際接口變換器1與接口變換器2傳輸有功功率之比為581…291≈2…1，且二者均為逆變模式。說明所提控制策略消除了直流側線路電阻的影響，提高了并聯接口變換器的有功功率分配精度。

圖11 整流模式下接口變換器的傳輸功率

圖12 整流模式下直流母線電壓的變化情況

圖13 整流模式下交流母線頻率的變化情況

圖14 整流模式下參數歸一化值的比較

在1.2～1.8 s時間段，交直流混合微電網中直流負載為2 kW，交流負載為3 kW，直流電源發出2.38 kW的有功功率，交流電源發出2.62 kW的有功功率，接口變換器1與接口變換器2分別由直流側向交流側傳遞250、125 W的有功功率，直流電壓約為398 V，接口變換器1的直流端口頻率的歸一化值、交流母線頻率的歸一化值的大小關系為fdc>f2=f1。

接口變換器1與接口變換器2傳輸有功功率之比為250…125≈2…1，且處于逆變模式。說明所提控制策略消除了直流側線路電阻的影響，解決了并聯接口變換器之間的循環功率問題，并且提高了并聯接口變換器的有功功率分配精度，減少了系統和接口變換器的損耗，提高了接口變換器的壽命。

在1.8～2.6 s時間段，交直流混合微電網中直流負載變為3.5 kW，交流負載為3 kW，直流電源發出3.24 kW的有功功率，交流電源發出3.3 kW的有功功率，接口變換器1與接口變換器2分別向交流側傳遞-180、-90 W有功功率，直流電壓為397.5 V左右，接口變換器1的直流端口頻率歸一化值、交流母線頻率的歸一化值的大小關系為f2=f1>fdc。

接口變換器1與接口變換器2傳輸有功功率之比為-180…-90≈2…1，且均處于整流模式。說明所提控制策略已經消除了直流側線路電阻的影響，提高了并聯接口變換器有功功率分配精度。

觀察圖11～圖13可知，采用所提控制策略時，電壓值一直穩定在額定值附近，交流母線頻率可以較為平滑的恢復到穩態，并且不存在電壓或者頻率驟降狀態，同時傳輸功率也能夠平滑的恢復到穩態，提高了系統的穩定性能。

4 結 語

本文總結了傳統的歸一化控制方法存在功率分配精度低、循環功率、慣量不足等問題，并且分析了問題產生的原因。針對這些原因，提出了交直流混合微電網并聯接口變換器的VSG控制策略。最后通過仿真，驗證了所提算法的有效性。得出以下結論：

(1) 所提控制策略能夠消除直流側線路電阻對并聯接口變換器的影響，提高并聯接口變換器的功率分配精度。

(2) 所提控制策略能夠消除直流側線路電阻對并聯接口變換器的影響，解決接口變化器之間的循環功率問題，并且提高了并聯接口變換器的有功功率分配精度，減少了系統和接口變換器的損耗，從而提高接口變換器的壽命。

(3) 所提控制策略能夠在負荷變化時為系統提供一定的慣量，不但使頻率、電壓在所允許的范圍內波動，而且實際電壓值在額定值附近。