基于虛擬同步發(fā)電機技術的微電網(wǎng)運行控制仿真

吳楠

摘要：為了確保微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，必須要有一套成熟的控制系統(tǒng)，本文在原有的控制系統(tǒng)的基礎上提出了一個新的控制方式——虛擬同步發(fā)電機技術（VSG）。該技術模擬了同步發(fā)電機的外特性，可以使微電網(wǎng)穩(wěn)定運行。 本文采用 PSCAD / EMTDC 軟件對微電網(wǎng)進行仿真分析。仿真結果表明，提出的控制策略能夠維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，并能實現(xiàn)微電網(wǎng)從孤島運行方式到并網(wǎng)運行的平穩(wěn)過渡。

關鍵詞：分布式電源;微電網(wǎng);控制

引言

能源——世界經(jīng)濟增長的主要驅動力，人類文明延續(xù)發(fā)展的基礎。隨著世界經(jīng)濟和人口的不斷增長，對能源的需求量也不斷增大，短缺的問題也越來越嚴重。能源利用率的提高、新能源的開發(fā)、可再生能源的加強利用，是解決各國經(jīng)濟和社會發(fā)展過程中能源緊缺所必須要面臨的。從而分布式電源得到大力開發(fā)，但是分布式電源存在很多缺點，并且，當系統(tǒng)不正常運行時，分布式電源不得不退出運行，這樣分布式電源的利用率就下降了許多，所以微電網(wǎng)就產(chǎn)生了，微電網(wǎng)是一個靈活可控的小電網(wǎng)。它結合了負荷和分布式電源形成了一個能夠實現(xiàn)自我控制與保護管理的可自治的小型發(fā)配電系統(tǒng)。微電網(wǎng)有兩種運行方式，這給大電網(wǎng)減輕了供電壓力，同時也提高了對負荷的供電可靠性。只有通過應用先進的控制方式才可保證兩種運行方式的穩(wěn)定運行，以及穩(wěn)定的相互切換。所以本文將主要研究微電網(wǎng)的控制方式。

微電網(wǎng)概況

微電網(wǎng)是指由分布式電源、負荷、儲能裝置、能量轉換設施、控制系統(tǒng)等組成的小型發(fā)電系統(tǒng)，可以看作是基于分布式發(fā)電裝置的、管理局部能量供求關系的小電網(wǎng)[1]，它既可以與主系統(tǒng)并網(wǎng)運行，也可以與主系統(tǒng)分離后孤島運行，其結構如圖1所示。

兩個相并聯(lián)的DG1和DG2、逆變器、主電網(wǎng)、開關以及負載這幾部分構成了微電網(wǎng)。在運行模式為并網(wǎng)時，微電網(wǎng)通過開關與主電網(wǎng)相連，這種運行模式減輕了主電網(wǎng)的負擔，并且提高了負載的抗干擾性。

但是在電網(wǎng)故障或檢修的情況下，開關將斷開，主電網(wǎng)與負載相離，系統(tǒng)將按預先設定的功率分配原則向微電網(wǎng)中所有重要負載供電，這樣的作方式叫做孤島運行。當線路中的故障全部清除后，開關就會閉合運行模式轉換到并網(wǎng)模式[2]。

微電網(wǎng)運行控制方式

微電網(wǎng)的運行控制方式分為微電網(wǎng)整體的控制策略以及微電源的控制策略，微電網(wǎng)整體的控制策略包括主從、對等以及分三種。微電源的控制策略包括P/Q、V-f以及下垂控制。還有一種新型控制方式——虛擬同步發(fā)電機技術（VSG）[3]。該技術是借鑒同步發(fā)電機的電磁方程以及機械方程控制逆變器使其在機理上與外特性上均與同步發(fā)電機相媲美。該技術就是一套特定的控制逆變器的算法[4]。如圖 2所示，該圖是虛擬同步發(fā)電機框圖。

由圖2可以看出，儲能單元用理想直流電壓源，主電路由三相逆變器和濾波器構成，濾波器接負載再接入主電網(wǎng)。主要是為了構造虛擬慣量以及一次調頻指令，并且模擬同步發(fā)電機的轉子慣性及系統(tǒng)一次調頻特性[5]。下面將闡述一下是如何模擬同步發(fā)電機的。

虛擬同步發(fā)電機技術仿真分析

為了驗證基于VSG 控制方式的穩(wěn)定性及有效性，本文將在 PSCAD 中建立模型對其進行仿真驗證。

孤島運行到并網(wǎng)

微電網(wǎng)運行在孤島狀態(tài)，帶有功負載 21k W，無功負載 2.1k Var，在0.35s時通過閉合斷路器來使微電網(wǎng)連接于主電網(wǎng)。仿真切換過程中微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率，仿真結果如圖所示。

結論

從圖（a）（ b）可以看出，0.35秒電壓及頻率有波動，可以看到有非常小的波動，還在允許的的范圍內，系統(tǒng)仍可以穩(wěn)定運行。通過仿真圖可以看出VSG可以控制微電網(wǎng)在孤島模式下的穩(wěn)定行。

因此，由仿真可得采用VSG技術可以使微電網(wǎng)從孤島狀態(tài)平滑切換到并網(wǎng)狀態(tài)并且穩(wěn)定運行。

參考文獻

[1] 李小明.基于拉格朗日插值法的改進微網(wǎng)功率控制方法[D].西南交通大學電氣工程學院，2014.

[2] 馬莉娜.含分布式電源的微電網(wǎng)控制策略的研究[D].華北水利水電大學，2016.

[3] 李金波.基于VSG的微網(wǎng)逆變器控制策略研究[D].寧夏大學，2016.