劉 芳 曹 偉 余 勇

（陽光電源股份有限公司，合肥 230088）

近年來，隨著新能源發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，基于電力電子接口的分布式電源在電力系統(tǒng)的滲透率不斷提升，大型光伏電站等數(shù)量大幅增加。與此同時傳統(tǒng)集中式一次能源逐漸減少，這導(dǎo)致電網(wǎng)的轉(zhuǎn)動慣量逐漸減小，頻率波動變大，尤其是以光伏發(fā)電為主的供電系統(tǒng)，其能源的間歇性和不可調(diào)度更加劇了電網(wǎng)的頻率波動，使得系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性問題日趨嚴(yán)峻。其次，光伏發(fā)電系統(tǒng)缺乏慣量，不具備短時過載能力，那么在電網(wǎng)故障情況下將不能提供短時功率甚至脫機，導(dǎo)致電力系統(tǒng)難以獲得足夠的時間以恢復(fù)電網(wǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)穩(wěn)定性急劇下降。此外，隨著光伏發(fā)電電網(wǎng)滲透率的提高，其在電網(wǎng)中的角色將發(fā)生變化，光伏發(fā)電系統(tǒng)將不再只是向電網(wǎng)提供電能，還應(yīng)能具備電壓源特性以及能量存儲和旋轉(zhuǎn)備用功能，即能組建光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)，具備一定的電網(wǎng)電壓和頻率支撐能力，向負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電能。然而目前基于電流源并網(wǎng)控制方式的光伏發(fā)電系統(tǒng)并不具備電壓支撐能力，且并入不同電網(wǎng)結(jié)構(gòu)時其穩(wěn)定性和動穩(wěn)態(tài)性能有較大差異，電網(wǎng)適應(yīng)性較差。

綜上所述，光伏發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模并網(wǎng)以及大規(guī)模光伏電站的快速擴(kuò)張，給電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來了極為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何改善光伏發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)適應(yīng)性，提供轉(zhuǎn)動慣量和旋轉(zhuǎn)備用以改善電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定性，組建光伏微電網(wǎng)為負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電能成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，同步發(fā)電機組（Generator Set-Genset）的下垂特性以及轉(zhuǎn)動慣量大等因素，在維持系統(tǒng)的電壓和頻率穩(wěn)定方面起著關(guān)鍵作用。發(fā)電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓的過程可以分為三個階段,第一階段為發(fā)電機組依靠自身轉(zhuǎn)動慣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的快速功率波動，當(dāng)頻率限額超出一定值,改變原動機功率輸入來調(diào)節(jié)頻率，即一次調(diào)頻，當(dāng)系統(tǒng)功率回復(fù)平衡后，移動一次調(diào)頻曲線將頻率拉回額定值。發(fā)電機組的頻率調(diào)節(jié)過程對光伏逆變技術(shù)有著良好的借鑒意義。但由于單純的光伏逆變器無法提供穩(wěn)定能量輸出，因此在光伏系統(tǒng)中加入儲能變流器和儲能電池，利用儲能系統(tǒng)能量雙向流動，可以提供慣量，以及能量穩(wěn)定的特點，提供下垂特性和轉(zhuǎn)動慣量模擬發(fā)電機組的上述特性，即采用虛擬同步發(fā)電機技術(shù)，使其像發(fā)電機組一樣參與頻率和電壓的調(diào)節(jié)過程，就可以降低單純光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的不利影響，解決光伏等分布式電源大規(guī)模并網(wǎng)的技術(shù)瓶頸。

因而，在現(xiàn)有光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在光伏側(cè)配備合理容量等級的儲能變流器和儲能電池，通過虛擬同步發(fā)電機技術(shù)實現(xiàn)一種新型的發(fā)電方式，并以其為基本發(fā)電單元組建光儲微電網(wǎng)，加之以儲能電池智能管理系統(tǒng)、光儲微網(wǎng)能量管理和綜合控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)電力系統(tǒng)負(fù)荷對發(fā)電設(shè)備的功能需求。儲能變流器的虛擬同步電機控制技術(shù)成為關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)外也對虛擬電機技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。

本文在上述國內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究虛擬同步發(fā)電機技術(shù)，并提出相關(guān)改進(jìn)方案。首先，針對基于VSG 功角靜態(tài)特性的不足，建立了VSG 的功角動態(tài)模型，并與同步發(fā)電機頻域特性進(jìn)行對比。據(jù)此，在VSG 的下垂特性基礎(chǔ)上，針對虛擬慣量參數(shù)選擇對并聯(lián)均流的影響，提出了一種改進(jìn)型虛擬慣量算法，使之在抑制系統(tǒng)頻率波動的同時，具有良好的功率響應(yīng)，并有利于系統(tǒng)的動態(tài)均流。針對VSG 的功角動態(tài)特性，提出了對虛擬的感應(yīng)電動勢進(jìn)行雙閉環(huán)控制的方案，可以減小VSG 系統(tǒng)非線性特性帶來的影響，從而提高系統(tǒng)的魯棒性。最后，進(jìn)行了初步的仿真和實驗研究。

1 VSG 概述

1.1 同步發(fā)電機機組基本特性

根據(jù)同步發(fā)電機組的電磁方程，機電方程以及勵磁和調(diào)速控制器，不難得到基于頻率-功率調(diào)頻的同步發(fā)電機組的動態(tài)模型，如圖1所示。

圖1 同步發(fā)電機組動態(tài)模型

根據(jù)圖1可以得出同步發(fā)電機組的頻域特性如圖2所示。

由圖2可知，同步發(fā)電機的高頻動態(tài)性能由定子特性所決定，中頻性能由轉(zhuǎn)子特性決定，而低頻動態(tài)性能則由下垂特性所決定。顯然，以上特性正是VSG需要模擬的重要性能。

為了用電力電子儲能變流器裝置模擬上述特性，需要考慮其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并采用一定的控制算法實現(xiàn)定轉(zhuǎn)子特性的模擬以及相應(yīng)的勵磁和調(diào)速控制。

圖2 同步發(fā)電機組頻域特性

1.2 VSG 實現(xiàn)方案

1）主電路拓?fù)?/p>

圖3 VSG 主電路拓?fù)?

2）VSG 基本控制方案

根據(jù)同步發(fā)電機組的特性，并結(jié)合電力電子裝置本身的特性，VSG 控制可以分為以下幾個關(guān)鍵部分：故障運行、同步發(fā)電機模擬（包括勵磁和調(diào)速控制器模擬，定轉(zhuǎn)子特性模擬）、穩(wěn)定性控制以及性能優(yōu)化等。其VSG 整體控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2 VSG 控制關(guān)鍵問題研究

2.1 VSG 動態(tài)功角特性

圖4 VSG 整體控制框圖

電力電子發(fā)電中DGU 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模多是沿用電力系統(tǒng)中的建模方法，這種建模方案是基于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)機組等的控制時間常數(shù) 遠(yuǎn)大于網(wǎng)絡(luò)時間常數(shù)為前提條件的，因而其高頻特性對發(fā)電機控制機構(gòu)的影響可以忽略。然而對于基于電力電子變換器的DGU 系統(tǒng)，電力電子裝置的響應(yīng)時間與網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間并不滿足上述條件，DGU 系統(tǒng)參數(shù)之間存在動態(tài)耦合，其動態(tài)耦合的整個頻域特性都將影響DGU 數(shù)字控制系統(tǒng)的控制算法構(gòu)成、控制參數(shù)設(shè)計以及穩(wěn)定性邊界條件的變化。為此，本文在建立DGU 系統(tǒng)dq 動態(tài)模型的基礎(chǔ)上，得出了動態(tài)功角特性方程。據(jù)此模型指導(dǎo)VSG 算法分析。

VSG 輸出濾波網(wǎng)路、線路阻抗以及負(fù)載的狀態(tài)空間模型如下：

其中 ：

由式（1）可以求得dq 電流的動態(tài)方程：

式（2）中的dq 電流可以用來計算VSG 的動態(tài)功角方程。功率的小信號模型為

其中

將式（2）帶入式（3）可得有功功率的小信號模型如式（4）所示。

由式（4）可以求得功角動態(tài)特性方程。若以電網(wǎng)q 軸定向，則可忽略式（4）中的 ΔEd,Ed分量，則 ΔP0相對于 ΔUd=Usin Δδ≈UΔδ的功角動態(tài)方程可由式（4）簡化

將功角特性的靜態(tài)模型Ks=UE X=UEqω(L1+L2)與式（5）進(jìn)行比較可以得到如圖5所示的頻率響應(yīng)圖。

從圖5可以看出，VSG 的動靜態(tài)功角特性相似之處在于：在低頻段，VSG 的開環(huán)特性類似于同步發(fā)電機的定子特性。

然而，不同之處在于：

1）在中高頻處多了兩個諧振頻率點，一個在dq 坐標(biāo)系中的50Hz 處，一個在LCL 的諧振頻率附近。這必然會影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和模擬算法的實現(xiàn)。VSG 在能實現(xiàn)定子低頻特性方程的同時，必須采取一定的控制算法，消除此不利影響，實現(xiàn)對發(fā)電機定子整個頻域特性的準(zhǔn)確模擬，才能保證虛擬同步發(fā)電機的性能。

2）VSG 必須模擬同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子慣量，以抑制頻率的快速波動。

3）VSG 必須模擬同步發(fā)電機組的調(diào)速和勵磁控制器，以實現(xiàn)頻率和電壓的穩(wěn)態(tài)支撐。

在上述建?；A(chǔ)上，為研究有功控制以及無功均流等相關(guān)關(guān)鍵問題，構(gòu)造了控制基本控制算法，如圖6所示。

圖5 VSG 的動靜態(tài)功角特性

圖6 VSG 算法控制框圖

2.2 有功控制關(guān)鍵問題分析

本文采用的VSG 方案從同步發(fā)電機組的功角特性出發(fā)，探求以 ΔUd進(jìn)行有功功率特性的改善，以期得到虛擬同步發(fā)電機特性。

由圖6可知，VSG 算法包括下垂控制，虛擬慣性，感應(yīng)電動勢雙閉環(huán)控制等。以下將沿用最基本的下垂控制算法，并討論虛擬慣量控制策略。

1）改進(jìn)型虛擬慣量控制

下垂控制解決了VSG 的多機并聯(lián)，然而單純的下垂控制并不能抑制頻率的短時快速波動，鑒于此，在圖6所示的VSG 控制中加入了轉(zhuǎn)子虛擬慣量控制，其中虛擬慣量環(huán)節(jié)的控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 虛擬慣量環(huán)節(jié)的控制結(jié)構(gòu)

其傳遞函數(shù)為

圖7和式（6）中，若虛擬慣量 0J= ，則系統(tǒng)中僅存在下垂控制，當(dāng) 0J≠時，式（6）為典型的二階系統(tǒng)。

其頻率特性如圖8所示。

圖8 虛擬慣量頻率響應(yīng)

顯然，圖8較好地體現(xiàn)了圖2所表示的同步發(fā)電機組的頻域特性。從圖8可以看出：虛擬慣量工作頻率在高于下垂控制和低于定子特性的頻率段之間。當(dāng)系統(tǒng)頻率由于受到較快速的頻率波動時，虛擬慣量將提供比下垂控制更大的增益（即功率增量）來補償頻率波動，從其相頻特性也可以看出，虛擬慣量的相位在中頻段要超前于下垂控制。

當(dāng)虛擬慣量不同時，功率的階躍響應(yīng)如圖9所示其中，虛擬慣量越大，功率波動越大。

圖9 虛擬慣量階躍響應(yīng)

由圖9可以看出，虛擬慣量的加入加快了系統(tǒng)的功率對頻率擾動的響應(yīng)速度，但是卻增加了系統(tǒng)的階數(shù)，因而，在過渡過程帶來功率震蕩，這給VSG的動態(tài)并聯(lián)均流帶來不利影響。

為了既能加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，又不至于因階數(shù)增加導(dǎo)致動態(tài)過程震蕩，本文采取了頻率矯正法來改善虛擬慣量控制。設(shè)期望的功率隨頻率變化的傳遞函數(shù)一階慣性環(huán)節(jié),如式（7）所示。

當(dāng)式（7）中k＞1時，此一階傳遞函數(shù)的時間常數(shù)將小于下垂控制的時間常數(shù)，因而其功率響應(yīng)較下垂控制快，而一階特性又使得系統(tǒng)避免功率動態(tài)過程的震蕩。

將補償環(huán)節(jié)加在下垂控制前向通道中，設(shè)為Gc，可得

將式（8）帶入式（7）可得

為了抑制高頻紋波，在前向通道保留一階低通濾波器,則可得改進(jìn)型虛擬慣量算法如式（10）所示。

改進(jìn)型的虛擬慣量算法控制框圖如圖10所示。

圖10 改進(jìn)型虛擬慣量控制結(jié)構(gòu)

根據(jù)式（10），k不同時的階躍響應(yīng)如圖11所示，其中k越大，響應(yīng)時間越小，圖11表明改進(jìn)型的虛擬慣量控制在提高系統(tǒng)響應(yīng)的同時有效地抑制了功率震蕩。

圖11 改進(jìn)型虛擬慣量階躍響應(yīng)

2）基于感應(yīng)電動勢閉環(huán)的VSG 定子控制策略

前文中的控制策略是根據(jù)靜態(tài)模型得出，即考慮Ks=UE X=UEqω(L1+L2)，這樣只需對下垂控制和虛擬慣量生成的感應(yīng)電動勢指令開環(huán)控制即可。如2.1 中所提，這種簡化的模型忽略了動態(tài)特性，即相關(guān)的高頻特性并不滿足圖2中同步發(fā)電機組頻域特性的高頻定子特性。因而，本文從動態(tài)功角模型出發(fā)，提出了基于感應(yīng)電動勢閉環(huán)的VSG 定子控制策略，以滿足圖2中的高頻定子特性。

圖12是基于靜態(tài)功角模型和動態(tài)功角模型的根軌跡對比。

圖12 基于動、靜態(tài)功角模型的控制系統(tǒng)根軌跡圖

從圖12可以看出，采用動、靜態(tài)功角模型的控制系統(tǒng)，其各自系統(tǒng)的特征方程并不相同。要維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，調(diào)速和勵磁控制器的帶寬將有所下降，從而必然導(dǎo)致VSG 控制性能的下降。

為此，根據(jù)計算出的感應(yīng)電動勢指令計算所需要的定子電流，并進(jìn)行閉環(huán)控制。然而，輸出感應(yīng)電動勢的穩(wěn)態(tài)精度以及動態(tài)性能等依賴于系統(tǒng)參數(shù)，因而魯棒性較差。

本文提出了基于感應(yīng)電動勢閉環(huán)的VSG 定子控制策略。此處采用電壓雙閉環(huán)控制，即電壓外環(huán)控制器采用PI 控制（C1=Kpv+Kivs），而電感電流內(nèi)環(huán)控制器則采用P 控制（C2=Kpi），如圖6中VSG算法控制結(jié)構(gòu)中的電壓電流雙環(huán)控制，即

寫成狀態(tài)方程如式（12）

將式（12）帶入式（1）可得

通過式（13）可以得到整個閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程矩陣。圖13是相應(yīng)系統(tǒng)的bode 圖，靜態(tài)功角模型、感應(yīng)電動勢開環(huán)的功角動態(tài)特性以及感應(yīng)電動勢閉環(huán)的功角動態(tài)特性分別如圖13中所示。圖14中實線為感應(yīng)電動勢開環(huán)的功率響應(yīng)，虛線為感應(yīng)電動勢閉環(huán)的功率響應(yīng)。

圖13 感應(yīng)電動勢雙環(huán)控制頻率響應(yīng)

圖14 感應(yīng)電動勢雙環(huán)控制階躍響應(yīng)

圖13、圖14表明，加入感應(yīng)電動勢閉環(huán)控制后，VSG 較好地模擬了同步發(fā)電機的定子特性，消除了諧振，具有良好的動靜態(tài)特性。電機和無窮大電網(wǎng)的系統(tǒng)組成，并測試了VSG 穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)運行、無窮大電網(wǎng)掉電后，柴油發(fā)電機做主電源VSG 的頻率補償以及柴油發(fā)電機組掉電時VSG 獨立運行等性能。仿真參數(shù)如表1所示。

3 仿真與實驗驗證

3.1 系統(tǒng)仿真

為了驗證上述所提方案的有效性，本文進(jìn)行了初步的仿真。仿真平臺由VSG 接入柴油發(fā)電機和無窮大電網(wǎng)的系統(tǒng)組成，并測試了VSG 穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)運行、無窮大電網(wǎng)掉電后，柴油發(fā)電機做主電源VSG的頻率補償以及柴油發(fā)電機組掉電時VSG 獨立運行等性能。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 VSG 仿真參數(shù)

圖15是穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)運行時的VSG 電壓和電流波形，說明了VSG 基本方案的有效性。

圖15 穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)運行

圖16為有、無VSG 虛擬慣量算法補償系統(tǒng)頻率的波形圖，細(xì)線為未加入VSG 的頻率變化曲線，粗線為加入VSG 的頻率變化曲線，可以看出，VSG的虛擬慣量在電網(wǎng)頻率波動時可以快速補償。

圖17為電網(wǎng)掉電時，VSG 孤島運行的波形圖。當(dāng)電網(wǎng)掉電時，VSG 可以單獨帶負(fù)載運行，無過渡過程。

3.2 系統(tǒng)實驗

本文為了實驗驗證上述所提方案搭建了VSG實驗平臺，其中由動模機組充當(dāng)電網(wǎng)。實驗參數(shù)如表2所示。

圖16 VSG 補償頻率波動

圖17 電網(wǎng)掉電時VSG 孤島運行

表2 VSG 實驗參數(shù)

圖18至圖21分別為穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)運行，并聯(lián)運行，孤島運行以及補償電網(wǎng)頻率變化的波形圖。

圖18是穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)運行的VSG 電壓和電流波形，說明了VSG 基本方案的有效性。

圖19是VSG 兩臺并聯(lián)電流波形，可以看出VSG的并聯(lián)均流度較好。

圖20為電網(wǎng)掉電時的VSG 孤島運行的波形圖，當(dāng)電網(wǎng)掉電時，VSG 切換瞬間不存在過渡過程，輸出電壓波形滿足要求。

圖18 穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)運行

圖19 兩臺并聯(lián)運行

圖20 電網(wǎng)掉電時VSG 孤島運行

圖21 有無VSG時系統(tǒng)頻率變化曲線

圖21為VSG 補償系統(tǒng)頻率波動的控制響應(yīng)波形。顯然，由于虛擬慣性及其相關(guān)控制的實現(xiàn)，VSG可以有效抑制頻率的波動。

4 結(jié)論

本文從針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模并網(wǎng)以及大規(guī)模光伏電站的快速擴(kuò)張，給電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來了極為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。提出了在光伏系統(tǒng)中加入儲能變流器和儲能設(shè)備，利用儲能系統(tǒng)具有慣量的特點，模擬同步發(fā)電機，提高光儲系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此從同步發(fā)電機組的頻域特性出發(fā)，探求用VSG 實現(xiàn)同步發(fā)電機組性能的可行性方案。分別設(shè)計、提出和改進(jìn)了一次調(diào)頻、虛擬慣量、定子特性等控制方案，使之在模擬同步發(fā)電機特性的基礎(chǔ)上提供更優(yōu)越的性能。

虛擬同步發(fā)電技術(shù)作為電力電子裝置模擬同步發(fā)電機的技術(shù)，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并提出了諸多可行方案。然而，如何更好地利用電力電子靈活控制的優(yōu)點來改進(jìn)同步發(fā)動機相關(guān)特性的不足，以及虛擬慣量的優(yōu)化、功率解耦特性的改善、基于狀態(tài)反饋的性能優(yōu)化、VSG 并聯(lián)時的穩(wěn)定性分析以及諧振抑制等，都是今后需要研究的重點問題。

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