基于自適應(yīng)調(diào)節(jié)的微源逆變器虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略

張亞楠，朱 淼，張建文，蔡 旭

（上海交通大學(xué)風(fēng)力發(fā)電研究中心，上海200240）

基于自適應(yīng)調(diào)節(jié)的微源逆變器虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略

張亞楠，朱 淼，張建文，蔡 旭

（上海交通大學(xué)風(fēng)力發(fā)電研究中心，上海200240）

微電網(wǎng)通過各類功率變換器實(shí)現(xiàn)分布式電源分布式開發(fā)、就地吸納和高效應(yīng)用，但其孤島運(yùn)行時慣性很小，頻率受負(fù)荷波動的影響很大。對于微源逆變器引入虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略，這對改善微網(wǎng)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性具有重要作用。基于此，提出一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略。首先根據(jù)微網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況實(shí)時修正虛擬慣性參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了控制策略的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而保證微網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行；然后詳細(xì)分析所引入轉(zhuǎn)動慣量系數(shù)和阻尼系數(shù)對微源控制系統(tǒng)的各類影響。Matlab/Simulink仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略的正確性和有效性。

孤島運(yùn)行；逆變器；虛擬同步發(fā)電機(jī)控制；自適應(yīng)調(diào)節(jié)；頻率穩(wěn)定性

引言

隨著能源危機(jī)問題的日益突出，以新能源為主體的分布式發(fā)電DG（distributed generation）逐漸興起［1，2］，分布式電源采用“分布式開發(fā)、就地吸納和應(yīng)用”的模式，其大規(guī)模接入給傳統(tǒng)大電網(wǎng)的運(yùn)行帶來了巨大的挑戰(zhàn)［3］。為協(xié)調(diào)大電網(wǎng)和分布式電源的矛盾，充分挖掘分布式發(fā)電為電網(wǎng)和用戶帶來的價(jià)值和效益，將分布式電源通過微網(wǎng)接入系統(tǒng)是提高其利用率的有效方式［4-7］。

微網(wǎng)通常由DG、儲能、負(fù)荷和監(jiān)控系統(tǒng)等組成［8，9］。與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)同步發(fā)電機(jī)相比，基于電力電子逆變接口的DG控制策略靈活、響應(yīng)迅速，但也因其不含機(jī)械轉(zhuǎn)子而無旋轉(zhuǎn)慣量［10，11］，不利于微網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［12］。

如果使得并網(wǎng)逆變器能夠模擬同步發(fā)電機(jī)的外特性，就可以借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將一些傳統(tǒng)電網(wǎng)的運(yùn)行控制策略移植到微網(wǎng)中［13-15］?；谠撍枷?，有學(xué)者通過引入同步發(fā)電機(jī)靜態(tài)下垂特性，提出了微源逆變器下垂控制策略［16-20］，其靜態(tài)輸出特性與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻類似，可實(shí)現(xiàn)并列微源之間的有功功率自動分配。然而，下垂控制僅從靜態(tài)下垂特性角度對傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)電源輸出特性進(jìn)行模擬，未能模擬同步發(fā)電機(jī)的真實(shí)運(yùn)行特性。

為了使DG更加真實(shí)地模擬同步發(fā)電機(jī)，國內(nèi)外學(xué)者提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)VSG（virtual synchronous generator）控制方法［21-23］，其在下垂控制的基礎(chǔ)上，又模擬出旋轉(zhuǎn)慣性和阻尼特性，有望成為DG接入微網(wǎng)系統(tǒng)的主流技術(shù)。虛擬同步發(fā)電機(jī)的概念最先由歐洲VSYNC工程提出［22］，主要控制思想是通過構(gòu)造虛擬慣量以及一次調(diào)頻指令，并通過電流閉環(huán)反饋控制使得DG在暫態(tài)時具有同步發(fā)電機(jī)的特性。文獻(xiàn)［23］利用同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，直接控制濾波電感上的電流，間接地使逆變器具有同步發(fā)電機(jī)的特性。以上電流控制型VSG在弱電網(wǎng)環(huán)境或孤島運(yùn)行模式下無法勝任電壓支撐作用，為此，一些學(xué)者提出了電壓控制型VSG控制。文獻(xiàn)［24］提出的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法，借鑒經(jīng)典同步發(fā)電機(jī)二階數(shù)學(xué)模型與調(diào)速器等控制策略，模擬出同步發(fā)電機(jī)頻率和電壓下垂特性以及大轉(zhuǎn)動慣量特性；文獻(xiàn)［25］利用電磁暫態(tài)關(guān)系對同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行建模，再加上調(diào)壓控制器、調(diào)頻控制器構(gòu)成Synchronous，對虛擬同步發(fā)電機(jī)特性進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化；但上述兩種控制方法并未對其在提髙系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性上的作用進(jìn)行詳細(xì)分析。

本文在上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，首先將同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程、一次調(diào)頻特性以及無功功率-電壓下垂控制特性引入到逆變電源的上層控制中，底層控制則用傳統(tǒng)的電壓電流雙閉環(huán)控制方法，使分布式逆變電源具有虛擬同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性；其次，詳細(xì)分析所引入轉(zhuǎn)動慣量系數(shù)和阻尼系數(shù)對微源控制系統(tǒng)的影響，將變虛擬慣性常數(shù)控制方法引入到VSG控制中，并通過前饋補(bǔ)償減弱阻尼系數(shù)對系統(tǒng)有功功率均分所造成的不利影響；最后，用Matlab/Simulink仿真平臺驗(yàn)證VSG和變虛擬慣性參數(shù)控制方法的正確性。

1　分布式逆變電源控制策略

1.1分布式逆變單元主電路結(jié)構(gòu)及控制

基于虛擬同步發(fā)電機(jī)控制的分布式電源整體控制策略如圖1所示。為了更好地研究逆變單元的控制方法，本文簡化分布式電源自身的動態(tài)響應(yīng)，用直流電壓源接三相全橋逆變器來等效微網(wǎng)電源。

圖1 整體控制框圖Fig.1　Block diagram of overall control

圖1中，Udc為等效直流電壓源；T1～T6為IGBT開關(guān)管；R、L和C分別為濾波電感電阻、濾波電感及濾波電容；ICabc為濾波電容電流；Uabc和Iabc分別為公共母線端電壓和流向公共母線的三相電流；Pref和Qref為有功功率及無功功率設(shè)定值；P、Q為逆變單元輸出有功功率和無功功率計(jì)算值；Pm為調(diào)速器輸出機(jī)械功率；Uref和θ分別為經(jīng)VSG控制和無功功率-電壓控制得到的參考電壓幅值及相位角；Ua、Ub、Uc為經(jīng)上層控制單元得到的三相電壓參考值；所提出的基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的分布式逆變電源控制方法主要包括上層算法和底層算法。由中央控制單元給出有功功率和無功功率的設(shè)定值，經(jīng)上層算法得到參考電壓瞬時值，上層算法主要包括調(diào)速器、VSG控制單元、無功-電壓控制單元及參考電壓生成模塊；然后由底層算法通過一個雙環(huán)控制得到PWM調(diào)制波，電壓外環(huán)采用比例-積分控制，以提高穩(wěn)態(tài)精度，電流內(nèi)環(huán)采用比例控制，以提高響應(yīng)速度；再經(jīng)過正弦脈寬調(diào)制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）產(chǎn)生脈沖來驅(qū)動IGBT的通斷。

1.2調(diào)速器模塊

調(diào)速器是同步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電不可缺少的控制單元，在維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定及功率平衡等方面發(fā)揮重大作用?；谔摂M同步發(fā)電機(jī)控制的分布式電源整體控制中，調(diào)速器設(shè)計(jì)的主要目的是通過控制VSG的輸入機(jī)械功率，保證系統(tǒng)內(nèi)有功功率平衡和有功負(fù)荷合理分配以及維持頻率在正常范圍內(nèi)。本文調(diào)速器控制框圖如圖2的所示。

圖2 調(diào)速器控制框圖Fig.2　Block diagram of governor control

圖2中，將微源逆變器的輸出角頻率ω和參考角頻率ωref的偏差送入到比例調(diào)節(jié)器，對輸出機(jī)械功率Pm進(jìn)行調(diào)節(jié)，把調(diào)度功率Pref作為前饋引入到調(diào)速器控制中，可以大大縮小頻率反饋控制的調(diào)節(jié)范圍，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。此外，在調(diào)速系統(tǒng)中加入了功率限幅環(huán)節(jié)，將微源逆變器的輸出功率保持在額定容量以下，實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)功能。

1.3VSG控制模塊

VSG控制的核心思想是把轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程運(yùn)用到控制算法中。當(dāng)極對數(shù)為1時，機(jī)械角速度ωg等于電角速度ω，同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程為

式中：D0為阻尼系數(shù)；J0為慣性系數(shù)。

基于式（1）設(shè)計(jì)的VSG控制框圖如3所示。

圖3　VSG控制框圖Fig.3　Block diagram of VSG control

1.4無功功率-電壓控制模塊

無功功率-電壓控制模塊用于實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)無功功率的分配以及電壓的調(diào)整，本文設(shè)計(jì)的無功功率-電壓控制模塊如圖4所示。

圖4　無功功率-電壓下垂控制模塊Fig.4　Reactive power-voltage droop control model

圖中，Qref為無功功率輸入設(shè)定值；Kq為無功功率下垂系數(shù)；U0為輸出端電壓設(shè)定值。通過此模塊可以得到電壓參考值Uref。

2　自適應(yīng)調(diào)節(jié)VSG控制

同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)動慣量的大小直接影響轉(zhuǎn)子中存儲的動能，進(jìn)而影響系統(tǒng)的暫態(tài)過程。

忽略阻尼項(xiàng)，式（1）可寫成

由此看出，轉(zhuǎn)動慣量與系統(tǒng)頻率變化率成反比，即當(dāng)功率缺額一定時，轉(zhuǎn)動慣量越大，輸出頻率的變化率越?。晦D(zhuǎn)動慣量越小，輸出頻率的變化率就越大。

相比于同步發(fā)電機(jī)，逆變器所具有較快的動態(tài)特性以及幾乎零慣性的特點(diǎn)，給微網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大挑戰(zhàn)。微網(wǎng)有2種運(yùn)行模式。在與大電網(wǎng)相連的并網(wǎng)運(yùn)行模式下，直接采用電網(wǎng)頻率和電壓作為支撐，DG按照制定目標(biāo)發(fā)出有功功率和無功功率，頻率較為穩(wěn)定；而當(dāng)與大電網(wǎng)斷開進(jìn)入孤島運(yùn)行模式時，微網(wǎng)的頻率需由自身控制。此時的微網(wǎng)是個獨(dú)立的小系統(tǒng)，如果其慣性很小，那么少量的功率波動就會引起系統(tǒng)顯著的頻率偏移，甚至可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰。

由基于VSG控制的分布式電源整體控制框圖可知，引入VSG控制策略后，微源的頻率控制單元包含P-f下垂控制模塊和VSG控制模塊。前者用于模擬同步發(fā)電機(jī)的頻率靜態(tài)輸出特性，即一次調(diào)頻特性，保證并列微源之間的有功功率自動分配；后者用于模擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程，實(shí)現(xiàn)微源虛擬慣性的動態(tài)頻率調(diào)節(jié)。此時，微源輸出頻率增量與有功功率增量的關(guān)系為

由式（3）可知，在有功功率負(fù)荷波動的情況下，微源輸出頻率不再表現(xiàn)為階躍響應(yīng)，而是體現(xiàn)出一階慣性環(huán)節(jié)響應(yīng)特性。因此，通過采用VSG控制策略，可以引入虛擬慣性，使得頻率的變化具有一定的過渡時間，有效提高頻率抵御負(fù)荷變化的能力。

虛擬慣性時間常數(shù)J取值不同，在頻率動態(tài)調(diào)節(jié)過程中逆變電源將表現(xiàn)出不同的慣性。J的取值太小，微網(wǎng)系統(tǒng)的慣性就小，此時微小的負(fù)荷波動就可能引起頻率的快速變化；J的取值越大，對微網(wǎng)系統(tǒng)的頻率支持作用越明顯，但是，這就意味著系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)越慢，即頻率到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時間也更漫長。

當(dāng)系統(tǒng)有功功率負(fù)荷發(fā)生變化時，由基于VSG控制的分布式電源整體控制單元的閉環(huán)響應(yīng)存在穩(wěn)態(tài)誤差，微源輸出端P-f下垂特性曲線發(fā)生了變化，其表達(dá)式為

式中：Kω′為微源輸出端靜態(tài)P-f下垂特性曲線的斜率，Kω′=1/（Dω0-1/Kω），Kω為微源P-f下垂控制模塊中P-f下垂特性曲線的斜率。

由式 （4）可知，VSG控制模塊中的阻尼系數(shù)D會減小微源輸出端P-f下垂特性曲線斜率，降低微源之間的有功功率分配精度。減小阻尼系數(shù)D，可以減小上述影響，卻可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)低頻功率振蕩等問題。

需要指出的是：虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略中的虛擬轉(zhuǎn)動慣量及阻尼系數(shù)是在控制策略中虛擬引入的，可以參考實(shí)際同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)并根據(jù)需要靈活選取，而不受任何實(shí)際制造工藝的限制，這也是虛擬同步發(fā)電機(jī)控制的一個獨(dú)特的優(yōu)勢。

工程中，轉(zhuǎn)動慣量J是根據(jù)電網(wǎng)頻率信息及頻率穩(wěn)定要求加以確定的。為充分利用微源逆變器的容量，應(yīng)選取轉(zhuǎn)動慣量J為

式中，Pmax為逆變器的功率上限。

本文提出一種變虛擬慣性常數(shù)VSG控制策略。在微網(wǎng)孤島運(yùn)行時，當(dāng)負(fù)荷出現(xiàn)擾動，可以根據(jù)其暫態(tài)過程中頻率變化率df/dt的值，實(shí)時修正虛擬慣性時間常數(shù)J。既抑制頻率變化率過快，又將系統(tǒng)頻率調(diào)整時間控制在可控范圍內(nèi)，優(yōu)化頻率的恢復(fù)曲線。具體控制方案如下。

設(shè)置閾值C1和C2，用來跟蹤頻率變化過程，并啟用相應(yīng)的控制方案。

（1）工作模式1。當(dāng)|df/dt|＞C1時，此時頻率變化率過快，應(yīng)采用大轉(zhuǎn)動慣量常數(shù)，減緩系統(tǒng)的暫態(tài)過程；

（2）工作模式2。當(dāng)|df/dt|≤C2時，頻率恢復(fù)很慢，應(yīng)采用小轉(zhuǎn)動慣量常數(shù)，加速頻率的恢復(fù)；

（3）工作模式3。當(dāng)C2≤|df/dt|＜C1時，頻率恢復(fù)速度合適，轉(zhuǎn)動慣量不變，等待頻率的恢復(fù)。

此時，微電網(wǎng)的頻率控制流程如圖5所示。

針對阻尼系數(shù)D改變下垂系數(shù)影響負(fù)荷分配的情況，為了不改變頻率控制器的結(jié)構(gòu)，需添加前饋量進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而減弱阻尼系數(shù)對微源P-f下垂特性曲線的影響。保證并列微源之間按照預(yù)定P-f下垂特性曲線進(jìn)行有功功率自動分配。

由式（1）可知，微源系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)特性方程為

則穩(wěn)態(tài)時的功率增量為

圖5　孤島模式下微電網(wǎng)的頻率控制流程Fig.5　Flow chart of frequency control in island microgrid

由式（7）可以看出，將ΔωDω0疊加到VSG的調(diào)速器的參考有功功率上，即可完成消除阻尼系數(shù)D對有功功率負(fù)荷分配的不利影響的補(bǔ)償。

3　仿真分析與驗(yàn)證

為驗(yàn)證VSG算法以及上文提出的控制策略，本文基于Matlab/Simulink仿真軟件，搭建了圖1所示單機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)仿真參數(shù)見表1。

首先將本文研究的基于VSG的控制策略與傳統(tǒng)的下垂控制策略DCS（droop control strategy）比較，兩者均工作在孤島運(yùn)行模式，起初負(fù)荷維持在功率20 kW，0.3 s時突增至 40 kW，0.7 s時恢復(fù)至 20 kW，仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6所示的結(jié)果可以看出，當(dāng)有功負(fù)荷發(fā)生波動時，采用下垂控制時系統(tǒng)頻率迅速降低至49.8 Hz；采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制時，頻率則緩慢降低。虛擬同步發(fā)電機(jī)控制有效地延緩了頻率的下降速度，增強(qiáng)了微源慣性，提高了孤島運(yùn)行時微網(wǎng)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

表1　DG仿真參數(shù)（單機(jī)系統(tǒng)）Tab.1　Simulation parameters of VSG

圖6　負(fù)荷階躍時的頻率變化Fig.6　Frequency variation with load step-increase

仿真分析轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)J、阻尼系數(shù)D以及調(diào)速器參數(shù)Kω對VSG輸出頻率的影響，仿真結(jié)果如圖7所示。首先設(shè)定阻尼系數(shù)D=0，調(diào)速器參數(shù)Kω=5×104/π，轉(zhuǎn)動慣量分別取3、11、18，初始負(fù)載有功功率和無功功率分別為20 kW和10 kvar，1 s時，負(fù)載有功功率和無功功率分別突增20 kW和10 kvar，仿真結(jié)果如圖7（a）所示。從圖7（a）可以看出，當(dāng)J=3時，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)荷短時沖擊時，系統(tǒng)頻率變化仍然較快，隨著J的增加，系統(tǒng)的頻率調(diào)整時間也逐漸增加。當(dāng)J=18時，頻率的調(diào)整時間變得很長，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)變差。上述仿真可以看出，虛擬慣性參數(shù)J取值不同，逆變電源在頻率動態(tài)調(diào)節(jié)的過程中表現(xiàn)出不同的慣性。逆變電源虛擬出的慣性越大，對微網(wǎng)系統(tǒng)頻率的支持作用越明顯。但是隨著J的增加，微網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)緩慢，微網(wǎng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間過長，也會對微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成不利的影響。

圖7　VSG參數(shù)對輸出頻率影響的仿真Fig.7　Frequency variation with a load step-increase for different values of J，D，Kω

阻尼系數(shù)D對VSG輸出頻率的影響的仿真如圖7（b）所示。設(shè)定轉(zhuǎn)動慣量常數(shù)J=11，阻尼系數(shù)分別為0、20、40，調(diào)速器參數(shù)Kω=5×104/π，初始負(fù)載有功功率和無功功率分別為20 kW和10 kvar，1 s時，負(fù)載有功功率和無功功率分別突增20 kW和10 kvar。

從圖7（b）可以看出，阻尼系數(shù)D并不改變頻率變化的動態(tài)過程，僅影響頻率變化的穩(wěn)態(tài)值，且阻尼系數(shù)D越大，頻率的穩(wěn)態(tài)變化量越小。

仿真分析頻率調(diào)節(jié)系數(shù)Kω對VSG輸出頻率的影響時，設(shè)定轉(zhuǎn)動慣量J=11，阻尼系數(shù)D=0，Kω分別取3×104/π、4×104/π、5×104/π，初始負(fù)載有功功率和無功功率分別為20 kW和10 kvar，1 s時，負(fù)載有功功率和無功功率分別突增20 kW和10 kvar。仿真結(jié)果如圖7（c）。由圖可以看出，Kω與頻率變化量成反比，而與頻率變化率df/dt無關(guān)。Kω越小，頻率調(diào)整時間越長，這是因?yàn)镵ω改變了VSG調(diào)速器的輸出機(jī)械功率，進(jìn)而影響了頻率調(diào)整時間。

圖8為采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)VSG控制下負(fù)荷突增情況下的頻率響應(yīng)對比結(jié)果（這里設(shè)定C1=0.2，C2= 0.5）?？梢钥闯?，即使采用VSG控制，當(dāng)負(fù)荷突增的瞬間，系統(tǒng)的頻率變化率仍然很大；采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)VSG控制策略后，可以能夠有效地降低負(fù)荷突增瞬間微網(wǎng)系統(tǒng)的頻率變化率，改善了微網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)；同時，系統(tǒng)的頻率調(diào)整時間也并沒有過分增加，從而驗(yàn)證了變虛擬慣性常數(shù)控制策略的有效性。

圖8　負(fù)荷突增時系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)Fig.8　System dynamic response during load sudden increasing

為了驗(yàn)證上述VSG控制方法中，阻尼系數(shù)D對微源輸出端P-f下垂特性以及有功功率分配性能的影響，本文設(shè)計(jì)一個如圖9所示的雙機(jī)系統(tǒng)。2 臺DG通過線路連接到微網(wǎng)內(nèi)母線上向負(fù)荷供電，微源逆變器均采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略，阻尼系數(shù)分別取0和20，其余控制參數(shù)均相同（參見表1），微源逆變器輸出有功功率的仿真結(jié)果如圖10所示。

圖9　微源逆變器并聯(lián)運(yùn)行仿真模型Fig.9　Simulation mode of parallel microsource

圖10　阻尼系數(shù)對微源逆變器有功負(fù)荷分配影響Fig.10　Damping coefficient effect on active load distribution

由圖10（a）可以看出，由于阻尼系數(shù)D的不同，雖然微源調(diào)速器參數(shù)Kω相同，兩臺微源的靜態(tài)有功功率分配不等于1∶1。這是因?yàn)樽枘嵯禂?shù)D改變了微源輸出端靜態(tài)P-f下垂特性曲線，從而干擾了并聯(lián)微源逆變器之間的有功功率分配。

由圖10（b）可以看出，補(bǔ)償了阻尼系數(shù)D對P-f下垂特性曲線的干擾，負(fù)載突變后有功負(fù)荷分配的均分效果較好，2臺微源逆變器發(fā)出的有功功率幾乎一樣。

4　結(jié)語

采用同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程、一次調(diào)頻特性以及無功功率-電壓下垂控制原理構(gòu)造的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略，較好地模擬了同步發(fā)電機(jī)組大慣性的外特性，提升了微源逆變器頻率控制性能。

VSG控制中虛擬慣性時間常數(shù)取值不同，在頻率動態(tài)調(diào)節(jié)過程中分布式逆變電源將表現(xiàn)出不同的慣性。因此，在慣性時間常數(shù)的選擇上，應(yīng)綜合微電網(wǎng)系統(tǒng)的整體要求以及每個微源自身的響應(yīng)特性，并考慮逆變電源的動態(tài)響應(yīng)時間、超調(diào)量及達(dá)到穩(wěn)定所需時間等。相比于實(shí)際同步發(fā)電機(jī)，VSG的虛擬慣性時間常數(shù)可以根據(jù)需要靈活可調(diào)。本文采用的自適應(yīng)調(diào)節(jié)VSG控制策略，在微網(wǎng)孤島運(yùn)行時具有重要作用。它可以有效地降低微網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生負(fù)荷突變時的頻率變化率，同時使頻率調(diào)整時間不至于過長，有利于微網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

為了減弱阻尼系數(shù)D的引入對微源逆變器輸出端P-f下垂特性的不利影響，本文設(shè)置了相應(yīng)的前饋補(bǔ)償，有效地提高了微源逆變器有功功率分配性能。

本文所提出的基于自適應(yīng)調(diào)節(jié)的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略對微網(wǎng)逆變電源進(jìn)行了簡化等效。實(shí)際微網(wǎng)中含有各種類型DG，其外部輸出特性隨著工況的改變也呈現(xiàn)各不相同的特性。針對DG實(shí)時輸出特性，以變虛擬慣性常數(shù)為核心的自適應(yīng)虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略，在判據(jù)整定計(jì)算、系統(tǒng)暫態(tài)特性分析等方面都具備進(jìn)一步提升的空間，也是未來工作的努力方向之一。

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Control Strategy of Virtual Synchronous Generator Based on Adaptive Adjusting for Distributed Inverters

ZHANG Yanan，ZHU Miao，ZHANG Jianwen，CAI Xu
（Wind Power Research Center，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Micro-grid enables distributed power realize distributed development，local absorb and efficient application，but its inertia in islanding is small，and the frequency is greatly affected by load fluctuations.The introduction of virtual synchronous generator control strategy to improve micro-grid system frequency stability plays an important role，and the inertia parameters of virtual synchronous generator control strategy is introduced virtually，it can refer to the actual parameters of synchronous generator and can adjust flexibly according to needs.An adaptive adjustment of virtual synchronous generator control strategy is proposed，which can correct virtual inertia parameters according to the actual operating conditions in real-time and ensure the safety and stable operation of micro-grid systems.Both the correctness and validity of the proposed control strategy have been verified by the simulation results in Matlab/ Simulink platform.

island operation；inverter；virtual synchronous generator；adaptive adjusting；frequency stability

張亞楠

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.3.11

TM46

A

張亞楠（1989-），男，碩士，研究方向：功率變換器控制技術(shù)，E-mail：daanyijiu 2008@126.com。

朱淼（1979-），男，通信作者，博士，研究員/博導(dǎo)，研究方向：大功率電力電子技術(shù)，混合交直流電力系統(tǒng)，新能源及分布式發(fā)電，開關(guān)電源等，E-mail∶miaozhu@ sjtu.edu.cn。

張建文（1981-），男，博士，講師，研究方向：大功率電力電子拓?fù)浼翱刂萍夹g(shù)、新能源及分布式發(fā)電技術(shù)、直流匯聚及輸電技術(shù)等，E-mail∶icebergzjw@sjtu.edu.cn。

蔡旭（1964-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：大功率電力電子、風(fēng)電機(jī)組電氣控制，輕型直流輸配電，大容量電池儲能接入系統(tǒng)、可再生能源并網(wǎng)技術(shù)、電能質(zhì)量治理裝置，E-mail∶xucai@sjtu.edu.cn。

2015-09-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51477102）

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51477102）