郝新星，蘇建徽，施永，徐海波（.合肥工業(yè)大學(xué)教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心，安徽合肥30009；.廣東易事特電源股份有限公司，廣東東莞53400）

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基于虛擬同步機(jī)的微網(wǎng)并離網(wǎng)切換策略研究

郝新星1，蘇建徽1，施永1，徐海波2
（1.合肥工業(yè)大學(xué)教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心，安徽合肥230009；2.廣東易事特電源股份有限公司，廣東東莞523400）

摘要：對微網(wǎng)逆變器虛擬同步機(jī)控制及并離網(wǎng)模式切換進(jìn)行研究。首先，建立了微網(wǎng)逆變器的虛擬同步機(jī)模型，并設(shè)計(jì)了基本的虛擬調(diào)速器和虛擬勵磁調(diào)節(jié)器。其次，針對微網(wǎng)兩種運(yùn)行模式確定控制器的輸入?yún)⒖贾?，并設(shè)計(jì)了預(yù)并列單元，給出了微網(wǎng)在兩種模式下切換的總控制框圖。最后，在Matlab中建立簡單的微網(wǎng)仿真模型并依托微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果共同驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：微網(wǎng)；虛擬同步機(jī)；模式切換；調(diào)速器；勵磁調(diào)節(jié)器；預(yù)并列

隨著能源日益枯竭和全球環(huán)境問題的加劇，新能源將在電力系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用，然而大量分布式能源的接入會對電網(wǎng)造成沖擊，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。以分布式微源為主的微電網(wǎng)與傳統(tǒng)大電網(wǎng)的相互補(bǔ)充是充分發(fā)揮新能源優(yōu)勢、提供可靠和優(yōu)質(zhì)電能一種較理想的方式。微網(wǎng)有兩種運(yùn)行模式，孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)兩種模式的平滑切換是目前微網(wǎng)研究的熱點(diǎn)。微網(wǎng)并離網(wǎng)控制分為雙模式控制和單模式控制。雙模式控制通常在并網(wǎng)時采用PQ電流控制，在離網(wǎng)時采用VF電壓控制［1-2］；但兩種模式控制方法相互獨(dú)立，并離網(wǎng)的模式切換相對復(fù)雜，且離網(wǎng)切換時如果不能及時檢測出孤島，存在切換失敗的風(fēng)險。單模式控制通常采用基于P-f和Q-V的下垂控制，在微網(wǎng)并離網(wǎng)狀態(tài)下使用相同的控制方法，易于實(shí)現(xiàn)并離網(wǎng)模式切換［3］；但下垂控制不具備慣性，頻率對負(fù)荷的波動比較敏感。

借鑒電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在微網(wǎng)逆變器控制策略中引入同步發(fā)電機(jī)算法，使逆變器模擬同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，能提高微電網(wǎng)的運(yùn)行性能，并能方便地將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的運(yùn)行控制策略移植到微電網(wǎng)中。文獻(xiàn)［4］對同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)做了仿真研究，文獻(xiàn)［5-9］借鑒同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械方程和電磁方程來控制并網(wǎng)逆變器，使逆變器在機(jī)理上和外特性上均能與同步發(fā)電機(jī)相媲美。但很少有文獻(xiàn)對采用虛擬同步機(jī)控制的微網(wǎng)并離網(wǎng)切換進(jìn)行具體研究。

本文在以上研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）控制的微網(wǎng)并離網(wǎng)平滑切換控制策略。建立了虛擬同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了虛擬調(diào)速器和虛擬勵磁調(diào)節(jié)器。在微網(wǎng)并網(wǎng)和孤島狀態(tài)下，均采用虛擬同步機(jī)控制，可在不改變控制器結(jié)構(gòu)的條件下實(shí)現(xiàn)模式間的平滑切換。通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明了所提出的微網(wǎng)并離網(wǎng)控制策略的有效性。

1　VSG算法模型的引入

微網(wǎng)逆變器模擬同步發(fā)電機(jī)控制的關(guān)鍵在于引入由轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程和定子電氣方程組成的同步發(fā)電機(jī)暫態(tài)數(shù)學(xué)模型。基于既不過分增加算法復(fù)雜程度，又能代表同步發(fā)電機(jī)的基本運(yùn)行特性的思想，引入同步發(fā)電機(jī)的二階數(shù)學(xué)模型，如下式所示：

式中：Pm，Pe分別為同步發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率和輸出功率；D，J為阻尼系數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量；Δω=ω-ωB，ω為實(shí)際角頻率，ω=dθ/dt，ωB為額定角頻率，θ為電壓相位；為激磁電動勢；為輸出電壓；為輸出電流；ra，xt分別為定子電樞電阻和同步電抗。

由式（1）得到的虛擬同步機(jī)算法的實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示，其中uabc為

圖1　虛擬同步機(jī)算法實(shí)現(xiàn)框圖Fig.1 Realization diagram of VSG

由于J和D的引入，使得采用VSG算法的微網(wǎng)逆變器具有了慣性和阻尼電網(wǎng)功率震蕩的能力。

微網(wǎng)中央控制器（MGCC）給定控制器的參考值（根據(jù)運(yùn)行模式而定），下發(fā)給調(diào)速器和勵磁調(diào)節(jié)器；調(diào)速器和勵磁調(diào)節(jié)器輸出Pm和E0，作為虛擬同步機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程和定子電氣方程的給定值；對逆變器相應(yīng)輸出量進(jìn)行采樣，通過虛擬同步機(jī)算法得到端口電壓的給定值；再通過內(nèi)環(huán)控制器跟蹤VSG輸出的電壓給定，確保電路滿足定子電壓模型。模擬同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行的原理如圖2所示，帶儲能單元的微網(wǎng)逆變器主電路拓?fù)洳捎玫湫偷娜嗳珮蚪Y(jié)構(gòu)。

圖2　帶本地負(fù)荷的VSG控制原理圖Fig.2 Schematic diagram of VSG with local load

2　控制器設(shè)計(jì)

本節(jié)借鑒同步發(fā)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)適合VSG控制的具有下垂特性的有功—頻率調(diào)速器和無功—電壓勵磁調(diào)節(jié)器。設(shè)計(jì)的調(diào)速器如圖3所示。

圖3　VSG調(diào)速器Fig.3 Speed controller of VSG

當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷變化時，引起系統(tǒng)頻率變化，根據(jù)頻率偏差，由調(diào)速器改變VSG算法的輸入功率Pm，從而保證系統(tǒng)內(nèi)有功功率平衡及系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。ωref為VSG的參考頻率，Kω為頻率調(diào)節(jié)系數(shù)，Pref為有功功率前饋，LTP為有功功率限幅環(huán)節(jié)，限制調(diào)速器輸出的有功功率，范圍在［PLTL，PLTH］。PLTL為VSG允許吸收的最大有功功率，PLTH為VSG允許輸出的最大有功功率。穩(wěn)態(tài)時，虛擬同步機(jī)的輸入功率等于輸出功率，Pm=Pe，帶調(diào)速器的VSG功頻調(diào)節(jié)曲線為

可見，帶調(diào)速器的VSG功頻特性曲線具有有功—頻率下垂特性，如圖4所示。

借鑒同步發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的相關(guān)理論，設(shè)計(jì)相應(yīng)的虛擬勵磁調(diào)節(jié)器，如圖5所示。

圖4　帶調(diào)速器的VSG功頻特性曲線Fig.4 P—f curve of VSG with speed controller

圖5　VSG勵磁調(diào)節(jié)器Fig.5 Excitation regulator of VSG

圖5中，Uref為電壓參考值；Uo為逆變器輸出電壓；UB=311 V，為電壓的基值；ωB=314，為角頻率的基值；Ke為電壓調(diào)節(jié)系數(shù)。

由圖5可知，設(shè)計(jì)的勵磁調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型為

正常運(yùn)行時，在基頻附近，VSG輸出電壓表達(dá)式：

式中：IoQ為VSG輸出的無功電流；xoVSG為VSG的等效輸出電抗（引入的虛擬電抗xt與電路電抗之和）。

結(jié)合式（4）和式（5），得到帶勵磁調(diào)節(jié)器的VSG電壓調(diào)節(jié)特性為

微網(wǎng)運(yùn)行過程中，VSG輸出端電壓保持在額定值UB附近。近似的有：

將式（7）帶入式（6），可以得到：

可見，設(shè)計(jì)的帶勵磁調(diào)節(jié)器的VSG具有與同步發(fā)電機(jī)相似的無功—電壓下垂調(diào)節(jié)特性，如圖6所示。通過設(shè)置等效輸出電抗和調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)器Ke，可以調(diào)節(jié)無功—電壓下垂特性。Ke越大，調(diào)節(jié)特性越平緩，無功—電壓下垂特性越硬。無功負(fù)荷增加時，輸出電壓降低，通過勵磁調(diào)節(jié)器輸出的E0增加，從而提高輸出電壓，維持端口電壓在一定范圍內(nèi)；反之，無功負(fù)荷減少時，也能維持端口電壓在一定范圍內(nèi)。改變參考電壓Uref的值能夠上下平移調(diào)節(jié)特性曲線，從而改變VSG輸出的無功功率。

圖6　帶勵磁調(diào)節(jié)器的VSG電壓調(diào)節(jié)特性Fig.6 Q—V curve of VSG with excitation regulator

3　微網(wǎng)逆變器并離網(wǎng)平滑切換

本節(jié)主要討論微網(wǎng)孤島模式與并網(wǎng)運(yùn)行模式下控制器的輸入?yún)⒖贾到o定和預(yù)并列單元的設(shè)計(jì)，并討論兩種模式下的平滑切換。微網(wǎng)由多個帶儲能的微源組成，在這里針對并離網(wǎng)切換以單臺帶儲能微源作研究。

3.1孤島運(yùn)行

根據(jù)圖3和圖5設(shè)計(jì)的調(diào)速器和勵磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，將參考電壓和參考頻率的值給定為UB和ωB，系統(tǒng)具有P—f和Q—V下垂特性，可以按照系統(tǒng)帶的負(fù)荷輸出有功功率和無功功率，并能夠?qū)崿F(xiàn)多微源組網(wǎng)時有功功率和無功功率的分配。

3.2并網(wǎng)運(yùn)行

微網(wǎng)逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時由大電網(wǎng)提供電壓和頻率的支撐，系統(tǒng)頻率ω=ωgrid，輸出電壓Uo=Ugrid。一般需要根據(jù)給定的有功指令和無功指令輸出有功功率和無功功率。由圖3可知，調(diào)速器已經(jīng)提供了調(diào)度有功的接口，且當(dāng)輸入?yún)⒖碱l率ωref=ωgrid時，輸出有功P=Pref。為了使勵磁調(diào)節(jié)器能提供無功調(diào)度接口，希望將VSG電壓調(diào)節(jié)特性方程設(shè)計(jì)為以下形式：

將式（9）帶入式（8），可以得到：

在圖5勵磁調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，根據(jù)式（10）可將參考電壓Uref接口變成調(diào)度無功功率Qref接口，且輸出無功Q=Qref。

可見，VSG在并網(wǎng)模式下，只需對原有的調(diào)速器和勵磁調(diào)節(jié)器的輸入?yún)⒖夹盘栠M(jìn)行簡單的調(diào)整即可，并不改變原有的控制器內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)，比較容易實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的并離網(wǎng)切換。

3.3并/離網(wǎng)切換技術(shù)

由以上分析可知，設(shè)計(jì)的控制器使基于VSG控制的微網(wǎng)逆變器在孤島狀態(tài)和并網(wǎng)狀態(tài)下采用相同的控制策略，類似于下垂控制，在計(jì)劃孤島或非計(jì)劃孤島發(fā)生時只需切換控制器的給定值即可，功率的差值由儲能單元補(bǔ)充，切換過程不會出現(xiàn)太大的突變。

3.4離/并網(wǎng)切換技術(shù)

虛擬同步機(jī)離網(wǎng)運(yùn)行時，微網(wǎng)和大電網(wǎng)之間的電壓和相位會出現(xiàn)偏差，在不恰當(dāng)?shù)臅r刻并網(wǎng)會引起較大的沖擊電流，因此，需要設(shè)計(jì)虛擬同步機(jī)的預(yù)并列單元來實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)MGCC發(fā)出并網(wǎng)指令時，將微網(wǎng)相應(yīng)微源由孤島運(yùn)行模式切換到預(yù)并列控制單元。在已設(shè)計(jì)的調(diào)速器和勵磁調(diào)節(jié)器基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)預(yù)并列控制單元，如圖7所示，包括頻差控制單元和電壓幅值差控制單元。

圖7　預(yù)并列控制單元Fig.7 Presynchronization control unit

利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)相位的跟蹤。頻率為相位的微分，因此相位滿足條件時，頻率也可以實(shí)現(xiàn)無差跟蹤。電壓幅值差控制單元通過PI調(diào)節(jié)器使VSG輸出電壓跟蹤電網(wǎng)電壓。啟動預(yù)并列單元后，應(yīng)立即將輸入?yún)⒖贾登袚Q為電網(wǎng)的電壓和頻率，并閉合圖7的2個預(yù)并列切換開關(guān)。MGCC實(shí)時檢測微網(wǎng)與大電網(wǎng)的電壓差、頻率差和相位差，當(dāng)其均滿足合閘條件時，啟動合閘信號，閉合網(wǎng)側(cè)開關(guān)，并將控制策略切換到并網(wǎng)運(yùn)行時的控制策略，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。

綜合上述分析，由于并離網(wǎng)切換時不改變內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，只是改變控制器的輸入值，因此選擇合適的控制參數(shù)，所提的方案就能比較容易實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)逆變器的并離網(wǎng)平滑切換?；谔摂M同步機(jī)控制的微網(wǎng)逆變器在不同模式切換的總的控制框圖，如圖8所示，其中Uref由式（10）得到。

圖8　總控制框圖Fig.8 General control block diagram

4　仿真及實(shí)驗(yàn)

4.1仿真結(jié)果及分析

在Matlab中搭建單臺微網(wǎng)逆變器仿真模型，對上述微網(wǎng)并離網(wǎng)切換方案進(jìn)行驗(yàn)證。主要仿真模型參數(shù)為：J=0.33，D=0，Kω=3 183，Ke=0.1，虛擬電抗xt=100×πi×0.008，濾波電感=2 mH，濾波電容8μF，Pref=10 kW，Qref=0，負(fù)荷為10 kW，5 kvar。

圖9　仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results

仿真結(jié)果如圖9所示，初始狀態(tài)0～2 s，微網(wǎng)逆變器處于孤島獨(dú)立帶載運(yùn)行，由于設(shè)計(jì)的控制器具有P—f，Q—V下垂特性，逆變器輸出電壓出現(xiàn)跌落（見圖9a），輸出有功和無功也存在跌落（見圖9c），由于逆變器與電網(wǎng)頻率存在恒定的偏差，所以此時電網(wǎng)和逆變器的相位差呈線性（見圖9d）；2 s時發(fā)出預(yù)并列命令，啟動預(yù)并列單元，輸入電壓和頻率參考值切換為電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)頻率，逆變器與電網(wǎng)的電壓幅值差和相位差逐漸減小為0（見圖9d、圖9e）；6.5 s時刻相位差、頻差和電壓差均滿足并網(wǎng)條件，預(yù)并列結(jié)束，閉合網(wǎng)側(cè)開關(guān)，并切換控制策略，進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行模式，電壓恢復(fù)到電網(wǎng)電壓（見圖9a），此時逆變器按調(diào)度有功和調(diào)度無功輸出功率（見圖9c）；12 s時斷開網(wǎng)側(cè)開關(guān)，并切換控制策略，進(jìn)入離網(wǎng)運(yùn)行模式。整個仿真過程，電壓電流和功率的波動都在允許范圍內(nèi)。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的基于虛擬同步機(jī)控制的微網(wǎng)并離網(wǎng)切換方案是可行的。

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證本文所提方案的可行性，借助微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺（由1臺100 kW儲能變流器，微網(wǎng)中央控制器，智能網(wǎng)關(guān)斷路器，負(fù)荷等構(gòu)成），進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，錄波儀得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10　實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experimental results

圖10a中MCH1，MCH2，MCH3通道的波形依次是孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)時的逆變器輸出電壓、電網(wǎng)電壓、逆變器輸出電流波形。系統(tǒng)帶8 kW電阻負(fù)載，給定有功功率指令6 kW，無功指令0 kvar，方框中為預(yù)同步的波形，下半部分為方框中波形的放大。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，啟動預(yù)同步之后，逆變器輸出電壓、電流無明顯超調(diào)，能平滑切換到并網(wǎng)運(yùn)行模式。孤島時電流大于并網(wǎng)時電流，說明微網(wǎng)逆變器并網(wǎng)之后按照給定的有功功率指令輸出功率。

圖10b中MCH1，MCH2，MCH3通道的波形依次是并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島時的逆變器輸出電壓、電網(wǎng)電壓、逆變器輸出電流波形。系統(tǒng)帶8 kW電阻負(fù)載，給定有功功率指令10 kW，無功指令0 kvar。斷開網(wǎng)側(cè)的開關(guān)，并切換控制策略，進(jìn)入孤島運(yùn)行。由圖10可知，離網(wǎng)后，進(jìn)入獨(dú)立帶載運(yùn)行，逆變器輸出電壓存在跌落，并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島的瞬間，電流并沒有出現(xiàn)突變，能夠平滑切換到孤島運(yùn)行。

5　結(jié)論

本文基于虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，研究了微網(wǎng)并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式下的虛擬調(diào)速器和勵磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了預(yù)并列單元，實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)并離網(wǎng)的平滑切換。并離網(wǎng)模式采用相同的控制方式，切換方案簡單易于實(shí)現(xiàn)。最后，通過仿真和實(shí)驗(yàn)對所提切換方案進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)微網(wǎng)的平滑切換，具有一定的應(yīng)用價值。

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修改稿日期：2015-07-16

Research on Switch of Microgrid Between Grid-tied and Islanded Operation Modes Based on Virtual Synchronous Generator

HAO Xinxing1，SU Jianhui1，SHI Yong1，XU Haibo2
（1. Research Center for Photovoltaic System Engineering of MOE，Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui，China；2. Guangdong East Power Co.，Ltd.，Dongguan 523400，Guangdong，China）

Abstract:Microgrid inverter with virtual synchronous generator（VSG）control and smooth transfer between grid-tied and islanded operation modes were researched. Firstly，the model of microgrid inverter with VSG control was built and the basic virtual speed controller and virtual excitation regulator were designed. Then，set the input reference of the controllers according to the two kinds of operation mode and designed the presynchronization unit and gave the overall control diagram for the switch of two kinds of operation mode of microgrid. Finally，a simple microgrid simulation model was built on matlab and relevant experiment was done on a microgrid experimental platform. Both simulation and experimental results verify the effectiveness of the proposed strategies.

Key words:microgrid；virtual synchronous generator（VSG）；mode transfer；speed controller；excitation regulator；presynchronization

收稿日期：2015-01-29

作者簡介：郝新星（1989-），男，碩士研究生，Email：hfut_haoxinxing@163.com

基金項(xiàng)目：廣東省引進(jìn)創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)計(jì)劃資助（2011N015）

中圖分類號：TM76

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A