基于虛擬同步機(jī)的主動(dòng)配電網(wǎng)電壓控制方式研究①

徐巧玲，權(quán)秀敏

(六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)電工程學(xué)院，安徽 六安 237000)

0 引 言

現(xiàn)今的電力系統(tǒng)主要是一種由多部分共同組成的集中式供電系統(tǒng)，包括了高電壓輸電、互聯(lián)大電網(wǎng)以及大容量機(jī)組[1-2]。近些年新能源技術(shù)發(fā)展迅速，產(chǎn)生了微型燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)力、燃料電池以及光伏等新能源發(fā)電方式，與以往的發(fā)電方式相比，這些分布式發(fā)電技術(shù)自身的優(yōu)勢(shì)較大。電力系統(tǒng)需要平衡無(wú)功與有功功率才可以穩(wěn)定電壓的頻率和大小[3]。新能源電源通過(guò)并網(wǎng)逆變器接入電網(wǎng)，新能源以其可再生性，使得其在全國(guó)發(fā)電量中的比例逐年上升，同時(shí)也給電網(wǎng)的安全運(yùn)行提出了新的問(wèn)題[4]。新能源的大規(guī)模接入使得配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化，主動(dòng)配電網(wǎng)(ADN)正在逐步替代傳統(tǒng)的被動(dòng)配電網(wǎng)(PDN)。在ADN中對(duì)新能源電源出力的特點(diǎn)進(jìn)行研究，以保證電壓穩(wěn)定的同時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)新能源電能消納最大化，該問(wèn)題已經(jīng)成為電力研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。

1 微電網(wǎng)的工作模式

微電網(wǎng)屬于集監(jiān)控運(yùn)行與保護(hù)于一體的獨(dú)立電力系統(tǒng)，包括了能量變換器、分布式電源、儲(chǔ)能與用電設(shè)備，不但能夠作為獨(dú)立系統(tǒng)為本地負(fù)荷供電，還可與傳統(tǒng)電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行[5]。聯(lián)絡(luò)開關(guān)互聯(lián)微電網(wǎng)系統(tǒng)可采用聯(lián)絡(luò)開關(guān)相互連接兩個(gè)獨(dú)立的微電網(wǎng)，使它們能夠相互流動(dòng)，成為整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的一部分。其中，聯(lián)絡(luò)開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)為“關(guān)斷”與“開通”。基于聯(lián)絡(luò)開關(guān)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 基于聯(lián)絡(luò)開關(guān)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的微電網(wǎng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

其中，獨(dú)立運(yùn)行的兩個(gè)微電網(wǎng)分別位于聯(lián)絡(luò)開關(guān)的兩側(cè)。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的光伏發(fā)電系統(tǒng)具有電池陣列，由DC-AC變換器將公共直流母線并入交流母線；結(jié)構(gòu)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)將蓄電池組連入公共直流線，再由DC-AC并入交流母線；充電樁接入交流母線后，再由DC-AC進(jìn)行變換，給需要充電的設(shè)備進(jìn)行充電；微電網(wǎng)中的用電設(shè)備統(tǒng)稱為其他負(fù)荷。

通過(guò)光伏效應(yīng)把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備稱為光伏電池。由于光照強(qiáng)度S與溫度T隨時(shí)存在著變化，光伏電池發(fā)電電流方程和輸出電流I如式(1)，(2)：

I=Iph-I0[e(U+ILRS)/(nkTNS/q)-1]-

(U+ILRS)/RP

(1)

I=Isc[1-C1(eU/C2Uoc-1)]

(2)

若等效電路處于開路轉(zhuǎn)態(tài)，那么U=Uoc，I1=0；若在最大功率點(diǎn)時(shí)，則U=Um，I=Im，代入式(1)、式(2)可計(jì)算出C1和C2，如式(3)所示。

C1=(1-Im/Isc)/e-Um/UOC，

C2=(Um/Uoc-1)/[ln(1-Im/Isc)]

(3)

光伏發(fā)電系統(tǒng)中存在著多個(gè)光伏模塊，且各模塊之間為串并聯(lián)的電池單元，并由光伏逆變器并入微電網(wǎng)。同時(shí)，光伏模塊的輸出功率能夠通過(guò)電流、電壓來(lái)進(jìn)行控制。

2 虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)的主動(dòng)配電網(wǎng)電壓控制方法

2.1 VSG數(shù)學(xué)模型及實(shí)現(xiàn)方法

VSG的主電路接近于下垂、V/f以及PQ控制的主電路，而逆變器控制算法卻并不相同，使得VSG控制算法便于實(shí)現(xiàn)。在算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中只需改進(jìn)一下逆變器算法，不必對(duì)硬件進(jìn)行更換，就能創(chuàng)建新的電壓控制模式，經(jīng)濟(jì)性較高[6]。VSG的主電路拓?fù)?，見圖2。

圖2 VSG主電路拓?fù)?/p>

新能源發(fā)電首先由斬波電路升壓，直流電通過(guò)并網(wǎng)逆變器逆變成交流電，經(jīng)LCL濾波后送入電網(wǎng)。通常采用的濾波器有三種，分別為L(zhǎng)CL型、LC型以及L型。L型較為簡(jiǎn)單，但在處理高頻率諧波衰減時(shí)的效果較差，需要增加電感，使得成本變高；LC型在進(jìn)行發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，濾波輸出效果與L型相近，LC型作用與L型相當(dāng)；LCL型與L型比較，將電容支路C加裝入首個(gè)電感靠近電網(wǎng)側(cè)，然后在增加一個(gè)電感L2。電感L2對(duì)于紋波電流的作用與高阻路徑相似，和電容支路低阻路徑共同對(duì)紋波電流輸出進(jìn)行抑制。在進(jìn)行參數(shù)的設(shè)計(jì)時(shí)，若L1取值較低，會(huì)使濾波效果受到較大的影響，而L1取值過(guò)大會(huì)造成電感體積與降壓增大，響應(yīng)速度變慢，使得投資成本變高。電容支路C若具有較低的阻抗，相應(yīng)的電容值就會(huì)越大，紋波電流就具有越好的濾波效果。電容C過(guò)大會(huì)發(fā)送較多的無(wú)功功率以致電網(wǎng)控制的難度加大。電感L2與L1的作用相近，所以兩類電感的取值也相近。LCL型濾波器從功率上看，電感總量上限如式(4)所示。

(4)

(4)式中，iomax表示電流輸出峰值；Ug表示電壓幅值；ωn表示額定角頻率，取值2πfN，UN表示相電壓有效值；INrms表示相電流額定有效值。當(dāng)濾波器阻抗過(guò)大時(shí)會(huì)造成降壓過(guò)大，通常不會(huì)超過(guò)電壓有效值的10%。LCL濾波器電感量不宜過(guò)小，電流紋波不宜過(guò)大，那么L1+L2≥(Udc)/(8Δimaxfc)，其中，fc表示功率開關(guān)管的開關(guān)頻率；Δimax表示紋波電流的上限值，通常取并網(wǎng)電流幅值的15%左右。LCL濾波器為了能增強(qiáng)無(wú)功輸出能力，會(huì)在濾波器中對(duì)無(wú)功進(jìn)行儲(chǔ)存，且電容不能太大，同時(shí)濾波器上的無(wú)功消耗要低于并網(wǎng)逆變器無(wú)功功率的5%。LCL濾波器無(wú)功消耗和電容的計(jì)算方法，如式(5)所示。

(5)

(5)式中，UN表示電壓幅值額定值，C表示電容值，fN表示額定頻率，P表示電源輸出的有效過(guò)濾。LCL濾波器也會(huì)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，所以諧振頻率的計(jì)算如式為

若工作頻率與諧振頻率相似，那么會(huì)嚴(yán)重影響到新能源發(fā)電的效果，所以諧振頻率必須與開關(guān)頻率、工作頻率的差異較大，則10fN≤fres≤0.5fc。在支路電容上進(jìn)行電阻的串并聯(lián)，能夠在對(duì)低高頻不影響的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)中頻諧波的抑制。但電阻并聯(lián)時(shí)，其諧波抑制的效果與電阻取值大小恰好相反，電阻取值越小，其功率消耗越大。通常采用Rd表示支路串聯(lián)的阻尼電阻，iL2表示濾波器輸出的電壓，Uo1表示逆變器輸出電壓，Uo2表示通過(guò)濾波器后輸出的電壓。那么輸出電壓與電流的傳遞函數(shù)，如式(6)所示。

IL2(s)/UO2(s)=(CRds+1)/(L1CL2s3

+C(L1+L2)Rds2+(L1+L2)s)

(6)

在主電路設(shè)計(jì)完成后，就能在逆變器算法的基礎(chǔ)上對(duì)虛擬同步機(jī)進(jìn)行模擬，本次研究采用了二階模擬方式。二階模型中包含了機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程與電樞電流方程，見式(7)。

eabc=uabc+iabcRa+Ls(diabc/dt)，

(7)

J[d(ωm/ωmB)/d(t/tB)]=

(H/dωmB)(dωm/dt)=Tm*-Te*-TD*

(8)

(8)式中，tB表示時(shí)間基準(zhǔn)值，ωmB表示機(jī)械角速度基準(zhǔn)值。由于電機(jī)極對(duì)數(shù)與機(jī)械角速度基準(zhǔn)值的乘積等于電磁角速度基準(zhǔn)值，所以對(duì)p=1時(shí)的同步機(jī)應(yīng)用虛擬同步機(jī)進(jìn)行模擬，有ω=pωm=ωm,ωB=pωmB=ωmB，其中，ωn表示同步角速度；ωB表示電磁角速度基準(zhǔn)值，此次取值為ωn。由角速度、機(jī)械轉(zhuǎn)矩以及功率間的相互關(guān)系，可以得出式(9)。

Tm*-Te*-TD*=Pmωm*-Peωm*-PD*ωm*

(9)

2.2 虛擬同步發(fā)電機(jī)總體控制結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)VSG的算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，見圖3。由VSG算法得出VSG端電壓UTZabc，并作為SPWM的調(diào)制電壓，以控制并網(wǎng)逆變器的功率開關(guān)。首先通過(guò)機(jī)械方程計(jì)算出機(jī)械轉(zhuǎn)速ω，對(duì)VSG的轉(zhuǎn)速積分后得出相位角α，選取A為參考相，采用勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)相位角與幅值進(jìn)行A相勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)的合成，B相勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)由A相的滯后2/3π來(lái)合成，C相勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)由A相的滯后4/3π來(lái)合成；然后再將滯后2/3π與4/3π得出的ibrms與icrms，以及逆變器輸出的有效值iarms作為VSG定子電樞電流，并與VSG電抗Zs的相乘后，得出VSG的ABC三相定子電樞壓降；所以VSG端電壓UTZabc為ABC三相虛擬勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)與定子電樞壓降的差。

圖3 VSG總體控制圖

如圖3所示，VSG中的虛擬勵(lì)磁裝置由電壓調(diào)節(jié)器與無(wú)功調(diào)節(jié)器構(gòu)成。若電壓較低時(shí)，無(wú)功過(guò)低，新能源系統(tǒng)與無(wú)功功率電壓會(huì)和設(shè)定值存在差異。將電壓調(diào)節(jié)器引入虛擬勵(lì)磁裝置，無(wú)功功能不能完全控制電壓，電壓差值會(huì)向并網(wǎng)逆變器發(fā)出指令，并控制調(diào)節(jié)電壓。

3 基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的主動(dòng)配電網(wǎng)電壓控制仿真分析

此次研究新能源發(fā)電單元為儲(chǔ)能和光伏，同時(shí)與本地負(fù)荷集成的微電網(wǎng)，并在微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)608處進(jìn)行配電網(wǎng)的接入，并在608節(jié)點(diǎn)處設(shè)置光伏退出運(yùn)行與負(fù)荷投切等參數(shù)，在進(jìn)行微電網(wǎng)負(fù)載波動(dòng)與出力波動(dòng)等干擾的模擬。設(shè)置主要內(nèi)容包括了將608節(jié)點(diǎn)接入0.026MVar無(wú)功與0.5MW有功負(fù)荷中。仿真實(shí)驗(yàn)的總時(shí)間為5s，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到2s時(shí)，將0.4MW有功負(fù)荷切除，3s時(shí)將0.2MW負(fù)荷接入，光伏發(fā)電在4s時(shí)會(huì)因?yàn)楣收隙Ｖ惯\(yùn)行。在相同工況情況下，對(duì)比VSG與逆變器下垂控制的電壓調(diào)節(jié)能力。在微電網(wǎng)中，光伏與儲(chǔ)能單元應(yīng)用下垂G控制的效果如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)能單元下垂可控制的效果

由圖4可以看出，額定頻率高于平均頻率，有功輸出的值始終保持最大，為0.25MW，在0-2s內(nèi)的電壓額定值小于0.38kV，因而無(wú)功設(shè)定值始終保持最大，為0.3MVar。在2s時(shí)，將0.4MW負(fù)荷切除，降低了總負(fù)荷功率，造成電壓上升，大于電壓額定值0.38kV后，又被調(diào)整到額定值上。新能源下垂控制調(diào)壓方法，比OLTC調(diào)壓更為平滑，更加接近真實(shí)設(shè)定值。但下垂控制的確定也較為明顯，在4s時(shí)，由于光伏的切除，造成了功率在儲(chǔ)能發(fā)電單元在接入點(diǎn)的較大波動(dòng)，不能對(duì)頻率進(jìn)行正常的跟蹤，樣本方差0.00002753，會(huì)嚴(yán)重影響到電壓頻率與有效值。而對(duì)于VSG的設(shè)計(jì)，就是為了對(duì)下垂控制無(wú)阻尼無(wú)慣性的缺點(diǎn)進(jìn)行解決。虛擬同步機(jī)控制效果如圖5所示。

由圖5可知，在應(yīng)用中采用了虛擬勵(lì)磁裝置，用戶電壓的有效值與頻率較下垂控制更加穩(wěn)定且平滑。VSG中引入了大輸出阻抗與調(diào)速器后，新能源發(fā)電單元的功率波動(dòng)較小，電壓頻率穩(wěn)定，且在外部功率的干擾下，頻率波動(dòng)最小。VSG中引入的虛擬調(diào)速器模擬同步機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，有效地控制了輸出電壓頻率。在4-5s時(shí)，由于光伏被切除，儲(chǔ)能容量已無(wú)法滿足608節(jié)點(diǎn)的0.38kV，因此電壓下降，也影響到了儲(chǔ)能無(wú)功與有功功率的出力情況，即使下降的情況下仍然保持平穩(wěn)，穩(wěn)定住了用戶電壓。電壓峰值時(shí)間為3.02s與2.02s，和下垂控制相近。超調(diào)量率高于下垂控制，分別為-3%與4.29%。將采樣單位設(shè)定為1ms，在全部時(shí)間內(nèi)，虛擬同步機(jī)控制頻率樣本方差為0.0085，而下垂控制的為0.0736，所以VSG對(duì)頻率的波動(dòng)抑制能力顯著較強(qiáng)。

圖5 虛擬同步機(jī)控制效果

4 結(jié) 語(yǔ)

在電力領(lǐng)域提出了一種基于VSG的主動(dòng)配電網(wǎng)電壓控制方式，并應(yīng)用仿真分析對(duì)VSG控制主動(dòng)配電網(wǎng)電壓的有效性進(jìn)行了實(shí)證分析。結(jié)果表明，新能源下垂控制調(diào)壓方法，比OLTC調(diào)壓更為平滑，更加接近真實(shí)設(shè)定值。VSG中引入了大輸出阻抗與調(diào)速器后，新能源發(fā)電單元的功率波動(dòng)較小，電壓頻率穩(wěn)定，且在外部功率的干擾下，頻率波動(dòng)最小。在4-5s時(shí)，由于光伏被切除，儲(chǔ)能容量已無(wú)法滿足608節(jié)點(diǎn)的0.38kV，因此電壓下降，也影響到了儲(chǔ)能無(wú)功與有功功率的出力情況，即使下降的情況下仍然保持平穩(wěn)，穩(wěn)定住了用戶電壓。電壓峰值時(shí)間為3.02s與2.02s，和下垂控制相近。超調(diào)量率高于下垂控制，分別為-3%與4.29%。將采樣單位設(shè)定為1ms，在全部時(shí)間內(nèi)，虛擬同步機(jī)控制頻率樣本方差為0.0085，而下垂控制的為0.0736，所以VSG對(duì)頻率的波動(dòng)抑制能力顯著較強(qiáng)。