基于下垂系數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的VSG控制策略

吳浙勛，高文根，汪石農(nóng)，邵育蘭

（1.安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

引言

隨著能源短缺、環(huán)境污染等情況已嚴(yán)重影響社會與經(jīng)濟的發(fā)展，經(jīng)濟、清潔、可再生的風(fēng)能、太陽能等新能源受到了越來越多的關(guān)注［1］。作為一個能源消費大國，目前，我國的風(fēng)能和太陽能并網(wǎng)裝機容量已經(jīng)分別達(dá)到1.08億千瓦與 0.37億千瓦［2］。

隨著新能源并網(wǎng)裝機容量快速增長，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性因分布式電源發(fā)電具有非線性和隨機波動性而面臨著巨大威脅。因此，有學(xué)者提出了包括分布式電源、負(fù)載、儲能、能量轉(zhuǎn)換器及監(jiān)控保護(hù)裝置的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)［3-4］。該結(jié)構(gòu)通過儲能裝置緩解了分布式電源發(fā)電對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的沖擊。其采用的下垂控制無需互聯(lián)通信，即可使分布式電源具有同步發(fā)電機的功率分配特性，且組網(wǎng)靈活、簡單可靠［5］。但微電網(wǎng)中的逆變器由于其電路中無旋轉(zhuǎn)元部件，屬于靜止式裝置，這使得微網(wǎng)與傳統(tǒng)同步發(fā)電機相比，缺乏維持電網(wǎng)整體能量平衡、系統(tǒng)穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)備用容量及轉(zhuǎn)動慣量。若能使電路中無旋轉(zhuǎn)元部件的逆變器借助儲能裝置模擬同步發(fā)電機的運行特性，將解決新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)所造成的穩(wěn)定性問題。為此，國內(nèi)外學(xué)者提出了虛擬同步發(fā)電機技術(shù)（Virtual Synchronous Generator，VSG）［6-9］。

VSG按外特性劃分為兩類：電流控制型與電壓控制型。電流控制型VSG由于其等效為電流源，在微電網(wǎng)離網(wǎng)運行模式下，難以提供有效的頻率和電壓支撐［10-11］。與電流控制型VSG相比，電壓控制型VSG在任何工作模式下，其都等效為電壓源，可為系統(tǒng)提供頻率與電壓支撐［6，12-15］。

采用VSG的微電網(wǎng)既可以工作在并網(wǎng)運行模式，也可以工作在離網(wǎng)運行模式。當(dāng)并網(wǎng)運行時，由于無需為系統(tǒng)提供頻率與電壓支撐，VSG只需向電網(wǎng)輸出能量。當(dāng)離網(wǎng)運行時，面對由負(fù)載變化導(dǎo)致的短周期、小幅度頻率和電壓幅值偏離，VSG依靠其具有的慣性與阻尼，阻止頻率和電壓幅值發(fā)生突變，使其有足夠的時間調(diào)節(jié)輸出功率，恢復(fù)系統(tǒng)功率平衡，確保系統(tǒng)輸出交流電的各項參數(shù)在正常范圍以內(nèi)，以上過程為VSG的一次調(diào)整。VSG的一次調(diào)整由有功頻率控制和無功電壓控制兩部分組成，本質(zhì)上是一種下垂控制，屬于有差調(diào)節(jié)。為了使一次調(diào)整時頻率和電壓的偏差最小，文獻(xiàn)［16］通過增加線路檢測環(huán)節(jié)，依據(jù)線路阻抗識別結(jié)果，在下垂控制中加入補償項以減小偏差，但這種方法需要增加額外的檢測與通信硬件，對檢測儀器精度要求高。文獻(xiàn)［17-18］通過虛擬阻抗改善偏差，但是會影響電能質(zhì)量。

本文針對VSG離網(wǎng)運行模式下負(fù)載變化導(dǎo)致的頻率和電壓調(diào)節(jié)偏離額定值的問題，在同步逆變器方案的基礎(chǔ)上，通過分析VSG穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，選取有功頻率下垂系數(shù)與無功電壓下垂系數(shù)作為自適應(yīng)調(diào)節(jié)的對象，設(shè)計了一種下垂系數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的改進(jìn)型VSG控制器，使得離網(wǎng)運行模式下VSG面對負(fù)載波動不僅能維持微電網(wǎng)功率的平衡，而且能實現(xiàn)頻率的無差調(diào)節(jié)和電壓幅值調(diào)節(jié)的小偏差。

1 VSG原理

VSG由主電路和控制兩部分組成。主電路部分為一個如圖1所示的逆變電路?？刂撇糠譃橐粋€在微處理器中運行控制策略程序的電子控制器，用于產(chǎn)生SVPWM波，控制圖1所示的電力電子開關(guān)，控制部分的核心是VSG控制策略。

圖1 VSG主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 VSG主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 為典型的VSG主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由直流電壓源Udc、電力電子開關(guān)組成的全橋電路以及LC濾波電路組成。其中：LS、RS和C分別為濾波電感、濾波電感等效電阻及濾波電容；Lg、Rg為VSG輸出線路等效線路電感和等效線路電阻；uo＝（uoa，uob，uoc）T為 VSG的輸出三相電壓；i＝（ia，ib，ic）T為 VSG的輸出三相電流；e＝（ea，eb，ec）T為濾波電容的三相電壓；u＝（ua，ub，uc）T為微電網(wǎng)電壓。

1.2 VSG控制策略

有功頻率調(diào)節(jié)和無功電壓調(diào)節(jié)是VSG控制策略的核心。VSG控制框圖如圖2所示。

圖2 VSG控制框圖

VSG的有功頻率調(diào)節(jié)方程為：

式中：Pref、Po、Pm分別為VSG的給定有功功率、實際輸出有功功率及虛擬機械功率；ωo和ω分別為VSG的額定角頻率和輸出角頻率；DP為VSG虛擬阻尼；J為VSG的虛擬轉(zhuǎn)動慣量；Kp為有功頻率下垂系數(shù)；θ為VSG輸出相角。

根據(jù)式（1）和式（2）可得VSG有功功率變化與頻率變化的關(guān)系為：

式中：D′p為調(diào)頻系數(shù)；τ為慣性時間常數(shù)。

由式（3）可知，當(dāng)VSG達(dá)到穩(wěn)態(tài)時有：

式（3）～式（5）表明，VSG有功頻率調(diào)節(jié)本質(zhì)是一種下垂控制。當(dāng)負(fù)荷波動時，因其具有一階虛擬慣性環(huán)節(jié)，頻率不會突變，有一個過渡時間。過渡時間可用τ表示，過渡時間的大小由J、Kp和DP決定。當(dāng)VSG達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，VSG輸出頻率的偏移量是由Kp和DP決定的。

汽車駛出中甸壩子，來到金沙江邊。江水從豐滿的稻谷邊洶涌流過。在江岸的公路上，就可以看見日尼神山，這是奔子欄最大的神山，當(dāng)?shù)厝苏J(rèn)為日尼神山是世界神山之首，在眾神的隱秘世界里有著無上的權(quán)威，能呼風(fēng)喚雨、統(tǒng)攝眾神、救護(hù)子民。光從地貌上看，日尼神山也有著攝人心魂的氣勢，在江岸的山群中赫然聳立著，似乎其余的高山和河流，都為了維護(hù)他的氣勢而壓低山頭、改變流向。

VSG的無功電壓調(diào)節(jié)方程為：

式中：Qref、Qo分別為VSG的給定無功功率和實際輸出無功功率；Uref為VSG的參考相電壓幅值；Uo為VSG的輸出相電壓幅值；Kq為無功電壓下垂系數(shù)；K為積分控制系數(shù)；E為VSG輸出的相電壓幅值。E與θ經(jīng)過合成便可以得到SVPWM發(fā)生器的參考信號。

根據(jù)式（6）可得VSG無功功率變化與電壓變化之間的關(guān)系為：

由式（7）可知，當(dāng)VSG達(dá)到穩(wěn)態(tài)時有：

式（6）～式（8）表明VSG的無功電壓控制本質(zhì)是一種下垂控制。當(dāng)負(fù)荷波動時，電壓不會突變，存在過渡時間，過渡時間的大小由K決定。當(dāng)VSG達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，VSG輸出電壓的偏移量由Kq決定。

2 下垂參數(shù)自適應(yīng)VSG控制器設(shè)計

2.1 改進(jìn)型VSG無功電壓下垂系數(shù)自適應(yīng)控制

離網(wǎng)運行時，微電網(wǎng)要求相電壓幅值變化在一定范圍內(nèi)。針對這一要求，本文設(shè)計：當(dāng)Umin≤Uo≤Umax時，不對Kq進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)Uo＜Umin或Umax＜Uo時，Kq依據(jù)實際情況自行調(diào)整，使得Uo恢復(fù)到Umin≤Uo≤Umax水平。

由1.2節(jié)可知，在離網(wǎng)運行模式下，VSG的無功電壓控制本質(zhì)是下垂控制，屬于有差調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，相電壓的偏移量由Kq決定。現(xiàn)以圖3為例分析VSG無功電壓調(diào)節(jié)的相電壓幅值偏離與恢復(fù)原理。

圖3 VSG無功電壓下垂控制特性曲線

當(dāng)微電網(wǎng)無功功率負(fù)載增大時，原本在運行工作點A的VSG將會增加無功功率的輸出，以保證微網(wǎng)的無功功率的平衡。依據(jù)無功電壓下垂控制特性曲線，VSG的輸出相電壓幅值將會由U1下降到U2，運行工作點由A過渡到B，VSG輸出相電壓幅值降低，產(chǎn)生偏移。如果此時能調(diào)整無功電壓下垂系數(shù)，使得VSG的運行工作點由B過渡到C點，則VSG能在保證微電網(wǎng)無功功率平衡的同時，使相電壓幅值也恢復(fù)到了原來的U1水平。同理，無功負(fù)載減少后相電壓幅值增大后再恢復(fù)到原水平。

式中：U*為VSG空載相電壓幅值；Qt－t0為VSG在tt0時刻輸出的無功功率，由Qo延時t0得到。為了維持VSG的穩(wěn)定運行，取 Qmin≤Qt－t0≤ Qmax，當(dāng) Qt－t0＜Qmin時，則 Qt－t0取值為 Qmin；當(dāng) Qt－t0＞Qmax時，則 Qt－t0取值為 Qmax。即僅當(dāng) Qmin≤ Qt－t0≤ Qmax時，Umin≤ Uo≤Umax。

假設(shè)微電網(wǎng)無功功率需求突然增加，導(dǎo)致Uo＜Umin，根據(jù)式（9）可知，Kq值先保持不變（因為 Qt－t0是由Qo延時t0得到的），VSG開始增加Qo的輸出，Uo減??；經(jīng)過時間t0后，Kq開始增大，由于微電網(wǎng)無功功率尚未達(dá)到平衡，VSG繼續(xù)增加Qo的輸出，Uo繼續(xù)減??；當(dāng)相Uo減小到最低值并開始回升時，Kq增大幅度此時也達(dá)到最大，VSG的Qo輸出仍繼續(xù)增加，直至微電網(wǎng)的無功功率達(dá)到平衡；經(jīng)一段時間的調(diào)整，微電網(wǎng)無功功率達(dá)到平衡，Kq值不再改變，Umin≤Uo≤Umax，VSG完成無功電壓調(diào)節(jié)。

2.2 改進(jìn)型VSG有功頻率下垂系數(shù)自適應(yīng)控制

由于一些關(guān)鍵電氣設(shè)備對頻率的變化的敏感性極高，因此，在離網(wǎng)運行模式下，微電網(wǎng)的頻率變化必須控制在極窄的范圍內(nèi)。

由1.2節(jié)可知，在離網(wǎng)運行模式下，VSG的有功頻率控制本質(zhì)是下垂控制，屬于有差調(diào)節(jié)，頻率的偏移量由Kp和Dp決定。根據(jù)圖2及1.2節(jié)內(nèi)容，可得Po的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

式中：UPCC為微電網(wǎng)相電壓幅值；X為VSG輸出阻抗。

由式（10）可知，有功功率調(diào)節(jié)動態(tài)特性與Dp和Kp均有關(guān)。當(dāng)Dp和Kp增大，VSG的阻尼隨之變大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變差。并且ωo的加權(quán)，使Dp的調(diào)整與Kp相比，會嚴(yán)重影響有功功率調(diào)節(jié)的動態(tài)特性。因此，將Kp作為自適應(yīng)調(diào)節(jié)的對象。根據(jù)式（5）推導(dǎo)得：

式中：ω*為VSG空載角頻率；Pt－t0為VSG在t－t0時刻輸出的有功功率，由Po延時t0得到。為了維持VSG的穩(wěn)定運行，Pt－t0取值范圍必須在［Pmin，Pmax］范圍內(nèi)，當(dāng)＜Pmin時，則 Pt－t0取值為 Pmin；當(dāng) Pt－t0＞Pmax時，則取值為Pmax。

3 仿真分析

參考圖1，通過MATLAB／Simulink構(gòu)建兩臺 VSG仿真模型進(jìn)行對比實驗，一臺選擇傳統(tǒng)VSG控制策略，另一臺選擇改進(jìn)型VSG控制策略。仿真系統(tǒng)參數(shù)見表1。其中，設(shè)置傳統(tǒng) VSG的 Kp＝6×105、Kq＝322.3。設(shè)置改進(jìn)型VSG初始Kp＝6×105、初始 Kq＝322.3；

實驗步驟：

（1）仿真開始時，微電網(wǎng)的負(fù)載為2 kW＋200 var。

（2）當(dāng)t＝3 s時，微電網(wǎng)的負(fù)載增加到3.5 kW＋300 var。

（3）當(dāng)t＝7 s時，微電網(wǎng)的負(fù)載降低至2.5 kW＋200 var。

（4）當(dāng)t＝10 s時，仿真結(jié)束。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

傳統(tǒng)VSG和改進(jìn)型VSG輸出的Po和Qo波形如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可以看出，當(dāng)負(fù)載改變時，改進(jìn)型VSG能及時調(diào)整Po和Qo輸出，其維持系統(tǒng)功率平衡的能力與傳統(tǒng)VSG一樣。

圖4 有功功率輸出對比

圖5 無功功率輸出對比

圖6 為傳統(tǒng)VSG和改進(jìn)型VSG輸出頻率波形。由圖6可知，當(dāng)0＜t＜3 s時，Po＝2 kW，Po＜Pref，傳統(tǒng)VSG輸出f＞50 Hz；當(dāng)3＜t＜7 s時，Po＝3.5 kW，Po＞Pref，傳統(tǒng)VSG輸出f＜50 Hz。當(dāng)7＜t＜10 s時，Po＝2.5 kW，2kW＜Po＜Pref，此時傳統(tǒng)VSG輸出f＞50 Hz。與傳統(tǒng)VSG相比，改進(jìn)型VSG從仿真開始到結(jié)束，面對有功功率負(fù)載的變化，其輸出頻率變化極小，實現(xiàn)了頻率的無差調(diào)節(jié)。

圖6 輸出頻率對比

圖7 為傳統(tǒng)VSG和改進(jìn)型VSG輸出Uo波形。由圖7可知，當(dāng)0＜t＜3 s時，Qo＝200 var，Qo＜Qref，傳統(tǒng)VSG輸出Uo＞312 V，改進(jìn)型VSG輸出Uo≈310.5 V；當(dāng)3＜t＜7 s時，Qo＝Qref＝300 var，傳統(tǒng)VSG輸出Uo＝310 V，改進(jìn)型VSG輸出Uo≈310.1 V；當(dāng)7＜t＜10 s時，Qo＝200 var，Qo＜Qref，傳統(tǒng)VSG輸出Uo＞312 V，改進(jìn)型VSG輸出Uo≈310.5 V。改進(jìn)型VSG面對無功功率負(fù)載的變化，309 V≤Uo≤311 V，實現(xiàn)了Uo調(diào)節(jié)的小偏差。

4 結(jié)束語

本文選取下垂系數(shù)作為優(yōu)化對象，引入?yún)?shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的方法，提出了一種下垂系數(shù)能夠依據(jù)實際情況自行調(diào)整的改進(jìn)型VSG，該策略通過使VSG的有功頻率下垂系數(shù)和無功電壓下垂系數(shù)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，來改善其在離網(wǎng)運行模式下，由于微電網(wǎng)負(fù)載變化導(dǎo)致的頻率和相電壓幅值的偏離。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)型VSG控制策略在離網(wǎng)運行模式下，面對微電網(wǎng)負(fù)載的變化，不僅能維持微電網(wǎng)功率的平衡，而且實現(xiàn)了頻率的無差調(diào)節(jié)和相電壓幅值調(diào)節(jié)的小偏差。

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