基于虛擬同步發(fā)電機技術(shù)的無縫切換控制策略

陳 銀，陳 財，秦曉佳，都小利，于 傳

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心，安徽 合肥 230022；2.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051)

0 引言

隨著全球能源短缺和環(huán)境污染等問題的日益嚴(yán)重，分布式能源如光伏、風(fēng)電等由于其清潔高效受到了越來越多的關(guān)注，也得到了大力的發(fā)展。微網(wǎng)可以將分布式能源、儲能裝置、負(fù)載等有機整合在一起，是智能電網(wǎng)的重要組成部分，在降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性等方面具有巨大潛力[1,2]。儲能逆變器是微網(wǎng)中重要的組成部分，儲能逆變器直流側(cè)接蓄電池，交流側(cè)接電網(wǎng)或負(fù)載，利用儲能逆變器可以增加微網(wǎng)系統(tǒng)慣性和抗擾性，消減分布式能源的間歇性對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[3,4]，研究微網(wǎng)采用儲能逆變器的控制具有重要意義。

此外微網(wǎng)中要求儲能逆變器不僅能夠并網(wǎng)充放電運行，也能夠在離網(wǎng)狀態(tài)下為負(fù)荷提供穩(wěn)定的電網(wǎng)支撐，而為了保證并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)過程中本地負(fù)載的供電質(zhì)量不受影響，就需要實現(xiàn)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)的無縫切換，傳統(tǒng)的方法是儲能逆變器并網(wǎng)時采用PQ控制，離網(wǎng)時采用VF控制的方法[5]，但是該方法在切換時波形有畸變，且難以實現(xiàn)多臺儲能逆變器并聯(lián)無縫切換。

針對上述問題，本文采用一種基于虛擬同步發(fā)電機技術(shù)的儲能逆變器控制方法，使得儲能逆變器從外特性上模擬出同步發(fā)電機的輸出特性，具備慣性模擬、調(diào)頻、調(diào)壓等功能，另外提出了一種并離網(wǎng)無縫切換控制策略，實現(xiàn)了儲能逆變器并、離網(wǎng)狀態(tài)的自動平滑切換，最后搭建了兩臺額定功率500kW儲能逆變器并聯(lián)的微網(wǎng)實驗平臺，實驗結(jié)果驗證了虛擬同步發(fā)電機控制方法以及無縫切換控制策略的有效性。

1 虛擬同步發(fā)電機控制方法

電力系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)變化過程表現(xiàn)為同步發(fā)電機的輸入機械功率與輸出電磁功率間的變化和過渡過程。當(dāng)系統(tǒng)有功負(fù)荷變化引起輸入機械功率和輸出電磁功率不平衡時，由于同步發(fā)電機的機械慣性和阻尼作用，頻率較慢的發(fā)生變化。原動機根據(jù)頻率偏移量調(diào)節(jié)調(diào)速器，改變發(fā)電機的輸入機械功率，進而改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到改變輸出頻率的目的，這是一次調(diào)頻。一次調(diào)頻是根據(jù)負(fù)荷變化自動完成的有差調(diào)節(jié)過程。

用人工調(diào)度的方式或自動調(diào)頻裝置去改變指定的同步發(fā)電機輸出有功功率，將頻率最終調(diào)節(jié)到要求的范圍內(nèi)，即二次調(diào)頻。二次調(diào)頻可以實現(xiàn)無誤差調(diào)節(jié)，主要針對負(fù)荷，變化比較大，變化周期較長的頻率偏移。

同步電機電壓的變化及調(diào)節(jié)過程具體表現(xiàn)為系統(tǒng)無功負(fù)荷變化及同步發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)過程。在組感性無功負(fù)載時，隨著無功功率的增大，定子輸出電壓逐漸降低，此時需要增大勵磁電流加大勵磁電勢，以提高輸出電壓；在帶容性無功負(fù)載時，隨著無功功率的增大，定子輸出電壓逐漸增大，此時應(yīng)減小勵磁電流降低勵磁電勢，以降低輸出電壓。

虛擬同步電機(Virtual Synchronous Generator，VSG)就是借助適當(dāng)?shù)目刂扑惴ò央p向逆變器從外特性上模擬或部分模擬同步發(fā)電機的輸出特性，使雙向逆變器對外等效為同步發(fā)電機。具備慣性模擬、調(diào)頻、調(diào)壓功能。圖1為本文采用的VSG技術(shù)控制算法框圖。

圖1 虛擬同步發(fā)電機技術(shù)控制算法框圖

為模擬同步發(fā)電機的一次調(diào)頻特性，虛擬一次調(diào)頻的功率給定Pdroop為：

(1)

式中m為虛擬的一次調(diào)頻下垂系數(shù)，ω0為額定電網(wǎng)頻率，ω為儲能逆變器實際采樣頻率，由式(1)可知，當(dāng)電網(wǎng)頻率小于額定功率時，儲能逆變器輸出有功，當(dāng)電網(wǎng)頻率大于額定頻率時，儲能逆變器吸收有功。

二次調(diào)頻目的是通過主動改變發(fā)電機組有功功率，把偏移的頻率拉回到額定范圍內(nèi)?？梢蕴摂M一個有功功率參考值Pref，作為主動調(diào)節(jié)的有功功率指令，將虛擬一次調(diào)頻和二次調(diào)頻疊加得到虛擬有功功率指令Pm，如式(2)所示，其物理意義相當(dāng)于同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸上輸入的機械功率，作為輸出電磁功率的跟隨目標(biāo)值。

(2)

當(dāng)VSG的輸出功率波動時，VSG會吸收或發(fā)出功率，轉(zhuǎn)動慣量可以平緩頻率的變化過程，提高頻率穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)動慣量可以通過一階慣性系統(tǒng)進行模擬，時間常數(shù)就是慣量與額定角頻率的乘積，如式(3)所示，式中P為儲能逆變器采樣計算得到的實際有功功率。

(3)

電壓調(diào)節(jié)控制如(4)所示，式中U0為額定電壓，n為無功下垂系數(shù)，Qref為無功功率指令值，Q為實際無功功率值。

Uref=U0+n(Qref-Q)

(4)

采用上述VSG控制算法，可以使儲能逆變器具備同步電機的特性，從電網(wǎng)角度看儲能逆變器等效于受控電壓源，既可以并網(wǎng)運行，也可以離網(wǎng)運行，同時實現(xiàn)主動有功、無功的吸收或發(fā)送，抑制頻率和電壓偏差，改善供電品質(zhì)。

2 基于VSG的無縫切換控制策略

圖2為基于兩臺儲能逆變器并聯(lián)組成的微網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)中還包含有蓄電池、本地負(fù)荷以及能量管理柜，兩臺儲能逆變器并聯(lián)后通過能量管理柜中的公共耦合點(Point of Common Coupling，PCC)開關(guān)K與外電網(wǎng)相連。當(dāng)K閉合時，儲能逆變器并網(wǎng)運行，由外電網(wǎng)給負(fù)荷供電；當(dāng)K斷開時，儲能逆變器離網(wǎng)運行給負(fù)荷供電，本文提出一種控制策略，可以實現(xiàn)儲能逆變器并離網(wǎng)無縫切換，保證負(fù)荷不斷電。

當(dāng)外電網(wǎng)有電，開關(guān)K閉合，儲能逆變器并網(wǎng)運行，此時若電網(wǎng)突然掉電，由于儲能逆變器采用VSG控制模式，具有同步發(fā)電機的電壓源特性，離網(wǎng)時可以無縫給負(fù)荷供電，能量管理柜檢測到離網(wǎng)后控制開關(guān)K斷開。

圖2 基于儲能逆變器并聯(lián)組成的微網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

當(dāng)電網(wǎng)重新來電時，由于此時儲能逆變器離網(wǎng)運行，其輸出的電壓幅值和相位與外電網(wǎng)可能存在一定的偏差，此時若直接閉合開關(guān)K，則會產(chǎn)生過大的電流沖擊，嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致儲能逆變器故障停機，造成離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)失敗，因此離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)必須要經(jīng)過一個預(yù)同步的過程。

具體方法為：能量管理柜將電網(wǎng)電壓的幅值及頻率通過通訊發(fā)送給兩臺儲能逆變器，儲能逆變器接收到電網(wǎng)信息后通過小步長累加的方法，如式(5)所示，逐漸將自身輸出電壓幅值和頻率調(diào)整到與電網(wǎng)一致，同時能量管理柜檢測開關(guān)K兩端的電壓信息，當(dāng)電網(wǎng)和儲能逆變器的電壓幅值和相位基本一致時閉合K，從而保證了離網(wǎng)到并網(wǎng)的無沖擊切換。

(5)

3 實驗分析

為了驗證本文提出的基于VSG儲能逆變器及并離網(wǎng)無縫切換控制策略的有效性，搭建了兩臺額定功率500kW儲能逆變器并聯(lián)的微網(wǎng)實驗平臺，其中用電負(fù)荷用一臺500kW可調(diào)電阻負(fù)載箱來模擬。

圖3為并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)實驗波形，其中示波器1通道為儲能逆變器輸出電壓，2通道為電網(wǎng)電壓，3通道為負(fù)載電流，由圖3可以看出，在電網(wǎng)掉電瞬間，儲能逆變器輸出電壓無變化，負(fù)載電流無畸變，說明實現(xiàn)了并網(wǎng)到離網(wǎng)的無縫切換，保證了負(fù)載不斷電。

圖4為離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的同期過程實驗波形。其中示波器1通道為電網(wǎng)電壓，2通道為儲能逆變器輸出電壓，3通道為儲能逆變器輸出電流，4通道為電網(wǎng)電流，可以看出并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)過程中，初期儲能逆變器輸出電壓和電網(wǎng)電壓存在幅值和相位差，經(jīng)過同期過程的調(diào)整，幅值和相位差逐漸減小，當(dāng)儲能逆變器輸出電壓和電網(wǎng)電壓幾乎完全重合時開關(guān)K閉合，此時的電流沖擊很小，實現(xiàn)了離網(wǎng)到并網(wǎng)的平滑切換。實驗結(jié)果驗證了并離網(wǎng)無縫切換控制策略的有效性。

圖3 并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)

圖4 離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)

4 結(jié)論

針對微網(wǎng)系統(tǒng)中要求儲能逆變器不僅能夠并網(wǎng)充放電運行，也能夠在離網(wǎng)狀態(tài)下為負(fù)荷提供穩(wěn)定的電網(wǎng)支撐，且同時需要實現(xiàn)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)的無縫切換，本文采用一種基于虛擬同步發(fā)電機技術(shù)的儲能逆變器控制方法，使得儲能逆變器從外特性上模擬出同步發(fā)電機的輸出特性，等效于受控電壓源，并具備慣性模擬、調(diào)頻、調(diào)壓等功能，很好的滿足了儲能逆變器并網(wǎng)和離網(wǎng)運行需求。此外提出了一種并離網(wǎng)無縫切換控制策略，實現(xiàn)了儲能逆變器并、離網(wǎng)狀態(tài)的自動平滑切換，最后搭建了兩臺額定功率500kW儲能逆變器并聯(lián)的微網(wǎng)實驗平臺，實驗結(jié)果驗證了虛擬同步發(fā)電機控制方法以及無縫切換控制策略的有效性。