黨 克，維力思

（東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012）

隨著國家大力發(fā)展新能源，各種分布式發(fā)電（DG）已取得長足發(fā)展。DG 在電網(wǎng)中所占比重逐年提升，同步電機(jī)裝機(jī)容量所占比重的下降，整個(gè)電力系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)相對減少。DG 以電力電子逆變器模式接入電網(wǎng)，由于該模式并未體現(xiàn)出系統(tǒng)慣性和同步特性，逆變器接入模式會(huì)增加電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓的難度，因此電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)受到影響。如果增加儲(chǔ)能元件，將同步發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能、逆變器整體上看做一個(gè)同步發(fā)電機(jī)，采用合適的逆變器并網(wǎng)控制算法，從外特性上模擬同步發(fā)電機(jī)的頻率和電壓控制特性，該控制方式稱為虛擬同步電機(jī)（VSG）控制策略［1－5］。本文模擬一種同步發(fā)電機(jī)暫態(tài)特性計(jì)算，構(gòu)建了虛擬同步電機(jī)控制電路，并采用仿真對VSG 控制策略的可行性進(jìn)行了評估。

1 VSG 技術(shù)

由于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣性和調(diào)頻特性能夠提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，如果借助儲(chǔ)能部件，使分布式電源表現(xiàn)出同步電機(jī)特性，可以大大提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。虛擬同步電機(jī)示意圖見圖1。

圖1 虛擬同步電機(jī)示意圖

VSG 的震蕩方程如下：

式中：J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為轉(zhuǎn)子角速度；Pin為輸入功率；Pout為輸出功率。

圖2是設(shè)計(jì)框圖。Pin是分布式電源輸出到逆變器的功率，Pout是逆變器輸出到電網(wǎng)的輸出功率，Pout是根據(jù)電網(wǎng)頻率和電壓計(jì)算出來的。電網(wǎng)頻率f可以由PLL環(huán)（鎖相環(huán)）通過電網(wǎng)電壓計(jì)算得出，因此方程（1）可以解決VSG 控制模塊里的轉(zhuǎn)子角速度，ω在這種情況下稱為虛擬機(jī)械角速度。當(dāng)確定轉(zhuǎn)子角速度時(shí)，可以同時(shí)確定虛擬機(jī)械角相位θ，因此，同步電機(jī)的特性可以通過這個(gè)數(shù)值作為逆變器輸出電壓的相位指令值來進(jìn)行模擬。

圖2 VSG控制框圖

2 VSG 技術(shù)可行性仿真評估

2.1 從并網(wǎng)到孤島運(yùn)行

分布式電源連接到電網(wǎng)時(shí)，逆變器一般采用電流控制策略。如果分布式電源和負(fù)載從電網(wǎng)脫離并處于孤島狀態(tài)，逆變器控制策略必須轉(zhuǎn)換為電壓控制策略。因此在出現(xiàn)并網(wǎng)到孤島狀態(tài)變換時(shí)，分布式電源不具備自我調(diào)節(jié)能力，整個(gè)系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。在VSG 控制策略中，無論并網(wǎng)還是孤島狀態(tài)逆變器均采用同一種控制方式，因此系統(tǒng)更加穩(wěn)定。為了比較二者的穩(wěn)定性，本文對兩個(gè)并聯(lián)分布式電源做了一組，并網(wǎng)之后在第3s變成孤島狀態(tài)運(yùn)行的仿真（見圖3）。負(fù)載A 是孤立負(fù)載，負(fù)載B 是連接負(fù)載。當(dāng)孤島運(yùn)行時(shí)，功率只能傳輸?shù)紸。A、B均為阻性負(fù)載，A 為20kW（2.0Ω），B為50kW（1.0Ω），額定電壓為220V。在負(fù)載連接或者分離的過程中，DG 的控制開關(guān)不允許改變。

圖3 DGs并網(wǎng)到孤島狀態(tài)仿真

圖4和圖5為仿真結(jié)果。由圖4a可知，在電流控制和電壓控制策略下，負(fù)載A 電壓上升到350V左右，約為額定電壓的1.59倍。由分布式電源特性可知，負(fù)載的功率被限制在60kW，即A 負(fù)載消耗了60kW，因此負(fù)載A 電壓為346V，計(jì)算結(jié)果同仿真結(jié)果一致。在現(xiàn)實(shí)中，由于瞬態(tài)電壓過高，該種操作在現(xiàn)實(shí)中是不允許的。由圖4b可知，兩臺(tái)機(jī)組會(huì)在孤島狀態(tài)初期輸出功率有較大的回落，但是很快就恢復(fù)到原有的功率輸出。圖5a中，采用VSG 控制時(shí)，負(fù)載電壓出現(xiàn)波動(dòng)，但是不會(huì)大幅升高，同時(shí)電流保持穩(wěn)定；圖5b中，兩臺(tái)分布式電源擁有同步電機(jī)特性，可以根據(jù)負(fù)載波動(dòng)自主調(diào)節(jié)功率輸出，因此具有良好的自我調(diào)節(jié)能力，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從仿真可知，VSG 控制策略相比于電流和電壓控制策略對系統(tǒng)有更好的穩(wěn)定性。

圖4 DG采用電流控制仿真結(jié)果

2.2 孤島電網(wǎng)運(yùn)行

圖5 DG采用VSG控制仿真結(jié)果

在僅由兩臺(tái)發(fā)電機(jī)和負(fù)載構(gòu)成的孤島電網(wǎng)中，該系統(tǒng)會(huì)采用主輔控制，一臺(tái)機(jī)組采用恒壓恒頻率控制，即主控制，另一臺(tái)采用電流控制方式，即輔控制。采用輔助電流控制策略的機(jī)組不能自主抵抗負(fù)載波動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)擾動(dòng)只能由主控制的機(jī)組獨(dú)自吸收，如果干擾過大就可能影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用VSG 控制時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組均是自主操作，整個(gè)系統(tǒng)抗干擾能力大大提高。為了比較兩者的穩(wěn)定性，采用圖6進(jìn)行仿真。系統(tǒng)在運(yùn)行到第3s時(shí)切斷負(fù)載B。負(fù)載A 是孤立負(fù)載，負(fù)載B 是連接負(fù)載。當(dāng)孤島出現(xiàn)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，功率只能傳輸?shù)紸。A、B 均為阻性負(fù)載，功率、電壓同2.1。在負(fù)載連接或者分離的過程中，DG 的控制開關(guān)不允許改變。

圖6 DG組孤島仿真

圖7和圖8 為孤島電網(wǎng)運(yùn)行的仿真結(jié)果。圖7a表明，負(fù)載A 電壓上升到350V 左右，遠(yuǎn)大于額定電壓，因此系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。由圖7b可知，由于負(fù)載波動(dòng)，DG2 吸收DG1 產(chǎn)生的多余功率。因?yàn)镈G 無法穩(wěn)定地吸收能量，因此DG2可能會(huì)停止工作，同時(shí)系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。圖8a中，采用VSG控制時(shí)，負(fù)載電壓A 在220V 上下波動(dòng)。圖8b中，兩臺(tái)DG 均可以吸收負(fù)載波動(dòng)，系統(tǒng)處于更加穩(wěn)定的狀態(tài)。從仿真結(jié)果可知，VSG 控制策略相比于主輔控制策略對系統(tǒng)有更好的穩(wěn)定性。

圖7 DG組采用主輔控制仿真結(jié)果

圖8 DG組采用VSG控制仿真結(jié)果

3 結(jié)論

通過加入逆變器和儲(chǔ)能元件并采用一種新的控制策略，可以使分布式電源獲得同步發(fā)電機(jī)的特性。因此可以解決大量分布式電源引入電網(wǎng)造成的不穩(wěn)定現(xiàn)象。本文對VSG 控制策略進(jìn)行了仿真探究，仿真結(jié)果說明VSG控制策略可以提高分布式電源逆變器的穩(wěn)定性。

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