虛擬同步發電機平衡電流控制方法的研究

梁艷召

（西嶺磁能科技正定有限責任公司，河北 石家莊 050800）

0 引言

作為由獨立負荷與電源共同組成的一種可控系統，微電網不僅能夠形成孤島模式，還可形成并網和自由切換2 個模式，為供電可靠性與供電質量提供保障。大電網與微電網之間采用并網逆變器相連接，其控制效果對微電網運行效果將會產生直接影響。常規并網逆變器具有較快的響應速度，但缺乏轉動慣量，難以將電壓與頻率支撐提供給分布式電源配電網，也不能為微電網提供阻尼作用[1]。而同步發電機本身存在調頻調壓與維持功率平衡特性，具有較大的轉動慣量與阻尼，當電網故障發生時，可以在短時間內實現穩定運行，有助于電力系統穩定性的提升，因此必須提升分布式發電性能，該技術稱為虛擬同步發電機（以下稱VSG）。但相關研究表明[2]，電網必須運行于電壓三相平衡狀態下，然而很多電網會因短路故障或者電壓跌落等問題而出現電壓失衡，該情況下VSG 會產生電流不平衡、無功功率振蕩等問題。為此，該文基于VSG 電網電壓不平衡情況，分析并網電流失衡、輸出功率振蕩產生的原因和瞬時負序電流量、瞬時功率量的關系，提出了有效控制VSG 平衡電流的手段，可持續滿足電力系統運行需求。

1 虛擬同步發電機基本原理

三相三線制虛擬同步發電機拓撲連接圖如圖1 所示。

圖1 VSG 拓撲結構圖

VSG 模擬同步發電機控制框如圖2 所示。

圖2 VSG 控制框

VSG 控制對同步發電機的運行原理進行模擬，將無功和有功參考指令調節成公式（1）中所標注的電壓指令，可有效實現三相電網電壓平衡下的電網恒定功率，進而將阻尼與慣性支持提供給電網。

2 虛擬同步發電機功率流分析

在VSG 運行于失衡電網電壓的情況下，并網點電壓會對VSG 輸出電流、功率等產生影響[3]。與傳統并網逆變器比較類似，VSG 負序電壓分量通常會產生于失衡電網電壓中，這樣就很容易影響輸出功率、電流波形質量，以下為問題產生的關鍵因素。

假設，三相電網電壓ua，ub，uc如公式（2）所示。

式中：u+m、θp表示正序電網的電壓幅值與相位；θn、u-m表示負序電網電壓幅值和相位；w表示電網的電壓角頻率。

Clarke 對公式（2）進行變換后，可獲得靜止坐標系下的電網電壓uα、uβ，具體如公式（3）所示。

公式（3）內，電網電壓負序分量、正序分量如公式（4）所示。

根據瞬時功率定義，可將瞬時無功、有功功率表示為公式（5）。

式中：iα、iβ分別為靜坐標并網電流分量。

因此，靜止坐標系下，瞬時無功、有功功率如公式（6）、公式（6）所示。

通過分析以上公式發現，失衡電網電壓狀態下，由于負序電流和負序電壓均≠0，因此輸出功率可能會產生二倍頻的振蕩分量，而且還會導致電流失衡。如果用4 個自由度控制自由變量以抑制電流平衡與功率振蕩，該目標將難以同時實現。

3 虛擬同步發電機功率-電流協調控制

在傳統逆變器中，一般會基于公式（6）將電流參考值計算出來，由此即可有效控制恒定無功、恒定有功和平衡電流[4]。該文在不影響正序電流的情況下，只計算負序電流參考值。

3.1 恒定有功控制

事實上，恒定有功控制目標多為取得恒定有功功率，為獲得恒定有功功率，應清除有功功率二倍頻，而且還應取消有功功率波動分量，也即應滿足Pc2=Ps2=0，根據公式（6）、公式（7）可得公式（8）。

從以上公式能夠看出，為對有功功率振蕩進行有效控制，需要分別控制負序與正序電流。但為了不對正序電流產生影響，該位置僅控制負序電流，以獲取相似控制效果。從公式（8）計算出負序電流控制指令，即如公式（9）、公式（10）所示。

3.2 恒定無功控制

類似于恒定有功控制，恒定無功控制如果想得到恒定無功功率，需要對其二倍頻振蕩分量進行消除，同時滿足Qc2=Qs2=0，根據公式（6）、公式（7）可得公式（11）。

從公式（11）計算出負序電流控制指令，如公式（12）所示。

3.3 平衡電流控制

為得到三相平衡電流，僅需將電流負序分量消除，即可實現平衡電流控制，滿足i-αref=i-βref=0。

對上述3 種控制進行分析，由于負序電流參考值有所差異，3 種控制方式難以同時實現，在實際應用過程中應基于不同需求，對并網電流質量與功率振蕩對電網所產生的影響進行綜合考慮，因此該文基于靜止坐標系，提出了VSG 功率-電力路協調控制方式[5]。

3.4 功率-電流協調控制

兩倍頻率余弦與正弦分量共同組成VSG 瞬時無功與有功功率振蕩，電流正負序分量會直接影響功率振蕩幅值。當正序電流穩定時，可通過控制并網電流負序分量更改VSG輸出功率振蕩正余弦分量值，具體如圖3 所示，得出的VSG電磁方程如公式（13）所示。

圖3 VSG 控制算法（來源：知乎網）

式中：R、L分別為逆變器和電網間的電阻與電感。

先采樣得出并網電流iabc與電網電壓uabc，通過Clarke 轉換uabc，并通過復數濾波器分量將模塊提取出來，獲得。根據公式（13）計算逆變器側負序的參考電壓，借助疊加正序逆變器實現信號的有效調制，進而獲得參考電壓調制信號。此外，還需要通過SVPWM 調制得到開關驅動信號，最終實現并網運行目標。

靜止坐標系下的VSG 功率電流協調無須鎖相環，同時方便結構控制。在不影響正序電流的情況下，該文的控制策略是根據瞬時功率計算出負序電流的參考值，創建恒定無功、有功和電流平衡的統一解析表達式，以達到功率電流協調控制目的[7]。結合公式（10）、公式（12）以及公式（13）能夠得出電流平衡控制、恒定務工與有功負序電流參考值，如公式（14）、公式（15）所示。

式中：λ為調節系數。

在λ為-1 的情況下，能夠實現恒定有功控制；在λ為1的情況下，恒定無功控制；在λ為0 的情況下，平衡電流控制[8-9]。為協調控制無功功率、有功功率以及電流，與上述3 種控制模式相結合，于連續區間定義λ，確定λ的取值為[-1，1]，以調節λ值的方式協調控制功率和電流調節功能。

4 結論

該文提出了在電網電壓失衡下適用的一種VSG 平衡電流控制策略，主要是通過電流指令對連續電流內環控制與VSG 控制進行計算，在對逆變器輸出電流進行控制的基礎上，保持VSG 本質屬性。該文所提控制方法能夠在電網電壓失衡狀態下對VSG 三相平衡電流進行有效控制，還可有效降低故障電流、無功與有功振蕩幅值。該控制方法對電網電壓線路參數與失衡類型不具有依賴性，無須切換控制模式與檢測故障，且控制結構也比較簡單。