基于VSG技術(shù)的微電網(wǎng)虛擬慣性控制策略

賈杰, 任偉

(國(guó)網(wǎng)呼倫貝爾供電公司,內(nèi)蒙古,呼倫貝爾 021008)

0 引言

近年來(lái)可再生能源利用率逐步提高,傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)中的比例逐漸下降,旋轉(zhuǎn)動(dòng)能和慣量的好處也減少了,對(duì)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),是一個(gè)挑戰(zhàn)[1-3]。對(duì)于風(fēng)電系統(tǒng)而言,并網(wǎng)逆變器通常采用被動(dòng)自適應(yīng)控制算法,以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT),但對(duì)慣性支撐的貢獻(xiàn)不大[4]。

因此,適應(yīng)新形勢(shì)下微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題已有大量文獻(xiàn)開(kāi)展了研究[5-8]。近年來(lái),虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)技術(shù)成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。VSG技術(shù)模擬同步發(fā)電機(jī)的基本原理到逆變器控制算法中,有效解決了低阻尼和慣性的問(wèn)題。目前,眾多學(xué)者在VSG并聯(lián)技術(shù)、合并儲(chǔ)能控制技術(shù)、慣性自適應(yīng)控制策略等細(xì)分領(lǐng)域方面開(kāi)展了廣泛的研究,并獲得一些相應(yīng)的研究成果。

1 基于VSG的新型虛擬慣性控制算法

1.1 VSG技術(shù)的基本原理

VSG的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。直流母線電壓和電流為udc和idc,LCL濾波器的參數(shù)分別為L(zhǎng)s1、Rs1、Ls2、Rs2、Cs和Rs3。VSG輸出相電流為igk,下標(biāo)“k”為a、b和c。

圖1 VSG的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖

圖1中的VSG數(shù)學(xué)模型可描述為

(1)

其中,P*和Q*為有功和無(wú)功功率指令值,Dp和Dq是P-f和Q-V下垂系數(shù),P和Q是有功和無(wú)功功率反饋值,J和K是有功和無(wú)功功率慣性系數(shù),ω*和ω為額定角速度和虛擬轉(zhuǎn)子角速度,V*和V是額定電壓幅值和輸出電壓幅值,E為VSG電動(dòng)勢(shì),θ是虛擬轉(zhuǎn)子位置角。

當(dāng)交流負(fù)載突然增加時(shí),ω下垂并瞬間產(chǎn)生功率增量,以抵消交流負(fù)載變化,這有助于抑制ω的進(jìn)一步下降。故VSG具有出色的慣性和頻率調(diào)節(jié)能力。

1.2 虛擬慣性和儲(chǔ)能算法的兼容性分析

采用虛擬慣性后,應(yīng)設(shè)計(jì)儲(chǔ)能裝置的控制算法,以便同時(shí)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和虛擬慣性支撐。如圖2所示,儲(chǔ)能裝置控制算法通常也采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)提高兼容性和可靠性。

圖2 儲(chǔ)能裝置控制結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)交流負(fù)載突變時(shí),將同時(shí)觸發(fā)VSG中的下垂特性和儲(chǔ)能裝置中的虛擬慣性,這可以用下面的等式描述:

ΔP=DpΔω+Psc(Δω)

(2)

其中,Psc是超級(jí)電容輸出功率。忽略外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的積分可得:

Psc(Δω)*=(PI)1(Δω*-Δω)≈k1(Δω*-Δω)

(3)

其中,k1是(PI)1調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。將式(3)代入式(2),可得:

ΔP=DpΔω+k1(Δω*-Δω)

(4)

然后,式(4)可簡(jiǎn)化為如下形式:

(5)

因?yàn)棣う睾蚹1Δω*遠(yuǎn)小于ΔP,式(5)的約束可簡(jiǎn)化為如下形式:

ΔP<<(Dp-k1)

(6)

基于P-f下垂特性,有:

(7)

其中,ΔPmax是有功功率的最大調(diào)節(jié)范圍,Δωmax是電角速度的最大波動(dòng)范圍。式(6)所描述的約束關(guān)系可結(jié)合式(7)簡(jiǎn)化為

(8)

由于ΔP遠(yuǎn)大于0.1ΔPmax/Δωmax,因此ΔP與-0.1k1正相關(guān),這意味著(PI)1的比例系數(shù)應(yīng)較大以滿足設(shè)計(jì)要求。但大比例系數(shù)容易引起沖擊并使系統(tǒng)失穩(wěn)。故使用雙環(huán)結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能算法難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制目標(biāo)。

(9)

其中,Δω′是VSG承擔(dān)不平衡功率時(shí)的電角速度差。式(9)中,k1取Dp的負(fù)倍數(shù)時(shí),交流負(fù)載的頻率變化幅度大致與k′成反比地減小,而不是跟隨Δω*。

如果將圖2中的控制結(jié)構(gòu)改變?yōu)闇h(huán)控制方法,則系統(tǒng)只能在額定工作頻率點(diǎn)附近運(yùn)行。當(dāng)VSG下垂起作用時(shí),Δω始終為正或負(fù)。即DC/DC斬波器中的一半開(kāi)關(guān)始終保持打開(kāi),而其他開(kāi)關(guān)持續(xù)關(guān)閉,導(dǎo)致儲(chǔ)能裝置無(wú)法正常工作。故滯環(huán)控制方案也是不可取的。

2 新型虛擬慣性控制策略

2.1 附加下垂特性

不同于傳統(tǒng)虛擬慣性方案需采用額外的超速或卸載控制算法以及飽和曲線計(jì)算等,新方案只需設(shè)置合理閾值,使VSG在閾值范圍內(nèi)提供虛擬慣性支撐即可。

當(dāng)交流負(fù)載變化時(shí),VSG基于虛擬轉(zhuǎn)子慣性會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)功率支持。通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝?將轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的變化限制在合理范圍內(nèi),可確保系統(tǒng)不會(huì)失控。此外,設(shè)計(jì)了VSG的附加下垂特性,如圖3所示。在圖3中,ΔPgmax和Δωgmax是附加下垂特性的設(shè)定范圍,可用于設(shè)計(jì)功率增量系數(shù)kΔP。由圖3可得附加下垂特性表達(dá)式為

圖3 附加下垂特性

(10)

將附加下垂特性代入VSG有功功率回路:

(11)

進(jìn)一步將式(11)簡(jiǎn)化為

(12)

從式(12)可以看出,附加下垂特性僅增強(qiáng)了VSG有功功率回路的等效P-f下垂系數(shù),但不干擾VSG正常運(yùn)行。對(duì)于大小相同的功率差,等效下垂系數(shù)越大,頻率差Δω越小,這符合同步發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)規(guī)律。同時(shí),附加下垂特性對(duì)MPPT算法和同步發(fā)電機(jī)控制并無(wú)影響,因而也不影響風(fēng)能吸收。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證新型虛擬慣性控制策略的效果,基于MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)開(kāi)展仿真研究,仿真系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)主要參數(shù)

3.1 交流負(fù)載突變時(shí)的性能驗(yàn)證

首先,進(jìn)行交流負(fù)載突變時(shí)的系統(tǒng)性能驗(yàn)證。仿真系統(tǒng)在t=3.6 s時(shí)建立好直流電壓,在t=4 s時(shí),VSG處于無(wú)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài),然后風(fēng)速增加,在t=5.5 s時(shí)突加交流負(fù)載,緊接著t=6 s時(shí),儲(chǔ)能裝置投入。待系統(tǒng)穩(wěn)定至t=11 s時(shí),交流負(fù)載突加1 kW。仿真中設(shè)置Δω*為0。

圖4(a)是沒(méi)有采用本文所提出的虛擬慣性控制策略時(shí)的仿真結(jié)果。從圖4(a)可以看出,在交流負(fù)載突增后,ω降至313.53 rad/s。對(duì)應(yīng)圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)為采用基于VSG的虛擬慣性控制策略時(shí)的仿真結(jié)果。對(duì)比圖4(a)、圖4(b)中交流側(cè)頻率無(wú)明顯下降,這實(shí)現(xiàn)了控制目標(biāo)。在圖4(c)中,t=0至4 s是VSG空載建壓過(guò)程,t=4 s至5.5 s是VSG預(yù)同步過(guò)程,在儲(chǔ)能裝置和負(fù)載接入后,系統(tǒng)以恒定的風(fēng)速和恒定的交流負(fù)載運(yùn)行,大約t=9 s時(shí)進(jìn)入到穩(wěn)態(tài),在t=11 s時(shí)突加交流負(fù)載,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度在有限的變化范圍內(nèi)減小,并迅速穩(wěn)定。在圖4(d)中,儲(chǔ)能裝置自動(dòng)釋放了約1 kW功率,故儲(chǔ)能裝置不僅可以促進(jìn)主電路功率平衡,還可以用于調(diào)節(jié)輸出下垂特性,符合理論預(yù)期。

(a) 交流側(cè)電角速度(不采用新型控制策略)

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種新的虛擬慣性控制策略,新方案基于VSG實(shí)現(xiàn)。在詳細(xì)分析交流側(cè)頻率運(yùn)行特性基礎(chǔ)上,分別設(shè)計(jì)了附加下垂特性,儲(chǔ)能裝置特定控制算法和功率給定算法模塊,提高了虛擬慣性控制算法的主動(dòng)性和直接性。仿真結(jié)果表明,新方案能夠有效地處理風(fēng)速和交流負(fù)載的變化,提高輸出頻率的調(diào)整速度和精度,同時(shí)微電網(wǎng)慣性響應(yīng)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能均得到改善,有助于擴(kuò)大風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性和頻率調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)。