張亞楠，朱 淼，張建文，蔡 旭

（上海交通大學風力發(fā)電研究中心，上海200240）

基于自適應調節(jié)的微源逆變器虛擬同步發(fā)電機控制策略

張亞楠，朱 淼，張建文，蔡 旭

（上海交通大學風力發(fā)電研究中心，上海200240）

微電網通過各類功率變換器實現分布式電源分布式開發(fā)、就地吸納和高效應用，但其孤島運行時慣性很小，頻率受負荷波動的影響很大。對于微源逆變器引入虛擬同步發(fā)電機控制策略，這對改善微網系統頻率穩(wěn)定性具有重要作用。基于此，提出一種自適應調節(jié)的虛擬同步發(fā)電機控制策略。首先根據微網實際運行狀況實時修正虛擬慣性參數，實現了控制策略的自適應調節(jié)，從而保證微網系統的安全穩(wěn)定運行；然后詳細分析所引入轉動慣量系數和阻尼系數對微源控制系統的各類影響。Matlab/Simulink仿真結果驗證了所提控制策略的正確性和有效性。

孤島運行；逆變器；虛擬同步發(fā)電機控制；自適應調節(jié)；頻率穩(wěn)定性

引言

隨著能源危機問題的日益突出，以新能源為主體的分布式發(fā)電DG（distributed generation）逐漸興起［1，2］，分布式電源采用“分布式開發(fā)、就地吸納和應用”的模式，其大規(guī)模接入給傳統大電網的運行帶來了巨大的挑戰(zhàn)［3］。為協調大電網和分布式電源的矛盾，充分挖掘分布式發(fā)電為電網和用戶帶來的價值和效益，將分布式電源通過微網接入系統是提高其利用率的有效方式［4-7］。

微網通常由DG、儲能、負荷和監(jiān)控系統等組成［8，9］。與傳統的旋轉同步發(fā)電機相比，基于電力電子逆變接口的DG控制策略靈活、響應迅速，但也因其不含機械轉子而無旋轉慣量［10，11］，不利于微網的安全穩(wěn)定運行［12］。

如果使得并網逆變器能夠模擬同步發(fā)電機的外特性，就可以借鑒傳統電力系統的運行經驗，將一些傳統電網的運行控制策略移植到微網中［13-15］。基于該思想，有學者通過引入同步發(fā)電機靜態(tài)下垂特性，提出了微源逆變器下垂控制策略［16-20］，其靜態(tài)輸出特性與傳統同步發(fā)電機的一次調頻類似，可實現并列微源之間的有功功率自動分配。然而，下垂控制僅從靜態(tài)下垂特性角度對傳統同步發(fā)電機電源輸出特性進行模擬，未能模擬同步發(fā)電機的真實運行特性。

為了使DG更加真實地模擬同步發(fā)電機，國內外學者提出了虛擬同步發(fā)電機VSG（virtual synchronous generator）控制方法［21-23］，其在下垂控制的基礎上，又模擬出旋轉慣性和阻尼特性，有望成為DG接入微網系統的主流技術。虛擬同步發(fā)電機的概念最先由歐洲VSYNC工程提出［22］，主要控制思想是通過構造虛擬慣量以及一次調頻指令，并通過電流閉環(huán)反饋控制使得DG在暫態(tài)時具有同步發(fā)電機的特性。文獻［23］利用同步發(fā)電機的數學模型，直接控制濾波電感上的電流，間接地使逆變器具有同步發(fā)電機的特性。以上電流控制型VSG在弱電網環(huán)境或孤島運行模式下無法勝任電壓支撐作用，為此，一些學者提出了電壓控制型VSG控制。文獻［24］提出的虛擬同步發(fā)電機控制方法，借鑒經典同步發(fā)電機二階數學模型與調速器等控制策略，模擬出同步發(fā)電機頻率和電壓下垂特性以及大轉動慣量特性；文獻［25］利用電磁暫態(tài)關系對同步發(fā)電機進行建模，再加上調壓控制器、調頻控制器構成Synchronous，對虛擬同步發(fā)電機特性進行進一步優(yōu)化；但上述兩種控制方法并未對其在提髙系統頻率穩(wěn)定性上的作用進行詳細分析。

本文在上述文獻的基礎上，首先將同步發(fā)電機的轉子運動方程、一次調頻特性以及無功功率-電壓下垂控制特性引入到逆變電源的上層控制中，底層控制則用傳統的電壓電流雙閉環(huán)控制方法，使分布式逆變電源具有虛擬同步發(fā)電機運行特性；其次，詳細分析所引入轉動慣量系數和阻尼系數對微源控制系統的影響，將變虛擬慣性常數控制方法引入到VSG控制中，并通過前饋補償減弱阻尼系數對系統有功功率均分所造成的不利影響；最后，用Matlab/Simulink仿真平臺驗證VSG和變虛擬慣性參數控制方法的正確性。

1　分布式逆變電源控制策略

1.1分布式逆變單元主電路結構及控制

基于虛擬同步發(fā)電機控制的分布式電源整體控制策略如圖1所示。為了更好地研究逆變單元的控制方法，本文簡化分布式電源自身的動態(tài)響應，用直流電壓源接三相全橋逆變器來等效微網電源。

圖1 整體控制框圖Fig.1　Block diagram of overall control

圖1中，Udc為等效直流電壓源；T1～T6為IGBT開關管；R、L和C分別為濾波電感電阻、濾波電感及濾波電容；ICabc為濾波電容電流；Uabc和Iabc分別為公共母線端電壓和流向公共母線的三相電流；Pref和Qref為有功功率及無功功率設定值；P、Q為逆變單元輸出有功功率和無功功率計算值；Pm為調速器輸出機械功率；Uref和θ分別為經VSG控制和無功功率-電壓控制得到的參考電壓幅值及相位角；Ua、Ub、Uc為經上層控制單元得到的三相電壓參考值；所提出的基于虛擬同步發(fā)電機的分布式逆變電源控制方法主要包括上層算法和底層算法。由中央控制單元給出有功功率和無功功率的設定值，經上層算法得到參考電壓瞬時值，上層算法主要包括調速器、VSG控制單元、無功-電壓控制單元及參考電壓生成模塊；然后由底層算法通過一個雙環(huán)控制得到PWM調制波，電壓外環(huán)采用比例-積分控制，以提高穩(wěn)態(tài)精度，電流內環(huán)采用比例控制，以提高響應速度；再經過正弦脈寬調制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）產生脈沖來驅動IGBT的通斷。

1.2調速器模塊

調速器是同步發(fā)電機組并網發(fā)電不可缺少的控制單元，在維持系統頻率穩(wěn)定及功率平衡等方面發(fā)揮重大作用?；谔摂M同步發(fā)電機控制的分布式電源整體控制中，調速器設計的主要目的是通過控制VSG的輸入機械功率，保證系統內有功功率平衡和有功負荷合理分配以及維持頻率在正常范圍內。本文調速器控制框圖如圖2的所示。

圖2 調速器控制框圖Fig.2　Block diagram of governor control

圖2中，將微源逆變器的輸出角頻率ω和參考角頻率ωref的偏差送入到比例調節(jié)器，對輸出機械功率Pm進行調節(jié)，把調度功率Pref作為前饋引入到調速器控制中，可以大大縮小頻率反饋控制的調節(jié)范圍，有利于系統穩(wěn)定。此外，在調速系統中加入了功率限幅環(huán)節(jié)，將微源逆變器的輸出功率保持在額定容量以下，實現自我保護功能。

1.3VSG控制模塊

VSG控制的核心思想是把轉子運動方程運用到控制算法中。當極對數為1時，機械角速度ωg等于電角速度ω，同步發(fā)電機的轉子運動方程為

式中：D0為阻尼系數；J0為慣性系數。

基于式（1）設計的VSG控制框圖如3所示。

圖3　VSG控制框圖Fig.3　Block diagram of VSG control

1.4無功功率-電壓控制模塊

無功功率-電壓控制模塊用于實現微電網無功功率的分配以及電壓的調整，本文設計的無功功率-電壓控制模塊如圖4所示。

圖4　無功功率-電壓下垂控制模塊Fig.4　Reactive power-voltage droop control model

圖中，Qref為無功功率輸入設定值；Kq為無功功率下垂系數；U0為輸出端電壓設定值。通過此模塊可以得到電壓參考值Uref。

2　自適應調節(jié)VSG控制

同步發(fā)電機運行時，轉動慣量的大小直接影響轉子中存儲的動能，進而影響系統的暫態(tài)過程。

忽略阻尼項，式（1）可寫成

由此看出，轉動慣量與系統頻率變化率成反比，即當功率缺額一定時，轉動慣量越大，輸出頻率的變化率越?。晦D動慣量越小，輸出頻率的變化率就越大。

相比于同步發(fā)電機，逆變器所具有較快的動態(tài)特性以及幾乎零慣性的特點，給微網系統的安全穩(wěn)定運行帶來了巨大挑戰(zhàn)。微網有2種運行模式。在與大電網相連的并網運行模式下，直接采用電網頻率和電壓作為支撐，DG按照制定目標發(fā)出有功功率和無功功率，頻率較為穩(wěn)定；而當與大電網斷開進入孤島運行模式時，微網的頻率需由自身控制。此時的微網是個獨立的小系統，如果其慣性很小，那么少量的功率波動就會引起系統顯著的頻率偏移，甚至可能導致整個系統的崩潰。

由基于VSG控制的分布式電源整體控制框圖可知，引入VSG控制策略后，微源的頻率控制單元包含P-f下垂控制模塊和VSG控制模塊。前者用于模擬同步發(fā)電機的頻率靜態(tài)輸出特性，即一次調頻特性，保證并列微源之間的有功功率自動分配；后者用于模擬同步發(fā)電機轉子運動方程，實現微源虛擬慣性的動態(tài)頻率調節(jié)。此時，微源輸出頻率增量與有功功率增量的關系為

由式（3）可知，在有功功率負荷波動的情況下，微源輸出頻率不再表現為階躍響應，而是體現出一階慣性環(huán)節(jié)響應特性。因此，通過采用VSG控制策略，可以引入虛擬慣性，使得頻率的變化具有一定的過渡時間，有效提高頻率抵御負荷變化的能力。

虛擬慣性時間常數J取值不同，在頻率動態(tài)調節(jié)過程中逆變電源將表現出不同的慣性。J的取值太小，微網系統的慣性就小，此時微小的負荷波動就可能引起頻率的快速變化；J的取值越大，對微網系統的頻率支持作用越明顯，但是，這就意味著系統的動態(tài)響應越慢，即頻率到達穩(wěn)定狀態(tài)的時間也更漫長。

當系統有功功率負荷發(fā)生變化時，由基于VSG控制的分布式電源整體控制單元的閉環(huán)響應存在穩(wěn)態(tài)誤差，微源輸出端P-f下垂特性曲線發(fā)生了變化，其表達式為

式中：Kω′為微源輸出端靜態(tài)P-f下垂特性曲線的斜率，Kω′=1/（Dω0-1/Kω），Kω為微源P-f下垂控制模塊中P-f下垂特性曲線的斜率。

由式 （4）可知，VSG控制模塊中的阻尼系數D會減小微源輸出端P-f下垂特性曲線斜率，降低微源之間的有功功率分配精度。減小阻尼系數D，可以減小上述影響，卻可能導致系統出現低頻功率振蕩等問題。

需要指出的是：虛擬同步發(fā)電機控制策略中的虛擬轉動慣量及阻尼系數是在控制策略中虛擬引入的，可以參考實際同步發(fā)電機的參數并根據需要靈活選取，而不受任何實際制造工藝的限制，這也是虛擬同步發(fā)電機控制的一個獨特的優(yōu)勢。

工程中，轉動慣量J是根據電網頻率信息及頻率穩(wěn)定要求加以確定的。為充分利用微源逆變器的容量，應選取轉動慣量J為

式中，Pmax為逆變器的功率上限。

本文提出一種變虛擬慣性常數VSG控制策略。在微網孤島運行時，當負荷出現擾動，可以根據其暫態(tài)過程中頻率變化率df/dt的值，實時修正虛擬慣性時間常數J。既抑制頻率變化率過快，又將系統頻率調整時間控制在可控范圍內，優(yōu)化頻率的恢復曲線。具體控制方案如下。

設置閾值C1和C2，用來跟蹤頻率變化過程，并啟用相應的控制方案。

（1）工作模式1。當|df/dt|＞C1時，此時頻率變化率過快，應采用大轉動慣量常數，減緩系統的暫態(tài)過程；

（2）工作模式2。當|df/dt|≤C2時，頻率恢復很慢，應采用小轉動慣量常數，加速頻率的恢復；

（3）工作模式3。當C2≤|df/dt|＜C1時，頻率恢復速度合適，轉動慣量不變，等待頻率的恢復。

此時，微電網的頻率控制流程如圖5所示。

針對阻尼系數D改變下垂系數影響負荷分配的情況，為了不改變頻率控制器的結構，需添加前饋量進行補償，進而減弱阻尼系數對微源P-f下垂特性曲線的影響。保證并列微源之間按照預定P-f下垂特性曲線進行有功功率自動分配。

由式（1）可知，微源系統的頻率調節(jié)特性方程為

則穩(wěn)態(tài)時的功率增量為

圖5　孤島模式下微電網的頻率控制流程Fig.5　Flow chart of frequency control in island microgrid

由式（7）可以看出，將ΔωDω0疊加到VSG的調速器的參考有功功率上，即可完成消除阻尼系數D對有功功率負荷分配的不利影響的補償。

3　仿真分析與驗證

為驗證VSG算法以及上文提出的控制策略，本文基于Matlab/Simulink仿真軟件，搭建了圖1所示單機系統，系統仿真參數見表1。

首先將本文研究的基于VSG的控制策略與傳統的下垂控制策略DCS（droop control strategy）比較，兩者均工作在孤島運行模式，起初負荷維持在功率20 kW，0.3 s時突增至 40 kW，0.7 s時恢復至 20 kW，仿真結果如圖6所示。

從圖6所示的結果可以看出，當有功負荷發(fā)生波動時，采用下垂控制時系統頻率迅速降低至49.8 Hz；采用虛擬同步發(fā)電機控制時，頻率則緩慢降低。虛擬同步發(fā)電機控制有效地延緩了頻率的下降速度，增強了微源慣性，提高了孤島運行時微網系統的頻率穩(wěn)定性。

表1　DG仿真參數（單機系統）Tab.1　Simulation parameters of VSG

圖6　負荷階躍時的頻率變化Fig.6　Frequency variation with load step-increase

仿真分析轉動慣量參數J、阻尼系數D以及調速器參數Kω對VSG輸出頻率的影響，仿真結果如圖7所示。首先設定阻尼系數D=0，調速器參數Kω=5×104/π，轉動慣量分別取3、11、18，初始負載有功功率和無功功率分別為20 kW和10 kvar，1 s時，負載有功功率和無功功率分別突增20 kW和10 kvar，仿真結果如圖7（a）所示。從圖7（a）可以看出，當J=3時，當系統出現負荷短時沖擊時，系統頻率變化仍然較快，隨著J的增加，系統的頻率調整時間也逐漸增加。當J=18時，頻率的調整時間變得很長，系統動態(tài)響應變差。上述仿真可以看出，虛擬慣性參數J取值不同，逆變電源在頻率動態(tài)調節(jié)的過程中表現出不同的慣性。逆變電源虛擬出的慣性越大，對微網系統頻率的支持作用越明顯。但是隨著J的增加，微網系統的動態(tài)響應緩慢，微網系統達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間過長，也會對微網系統的穩(wěn)定運行造成不利的影響。

圖7　VSG參數對輸出頻率影響的仿真Fig.7　Frequency variation with a load step-increase for different values of J，D，Kω

阻尼系數D對VSG輸出頻率的影響的仿真如圖7（b）所示。設定轉動慣量常數J=11，阻尼系數分別為0、20、40，調速器參數Kω=5×104/π，初始負載有功功率和無功功率分別為20 kW和10 kvar，1 s時，負載有功功率和無功功率分別突增20 kW和10 kvar。

從圖7（b）可以看出，阻尼系數D并不改變頻率變化的動態(tài)過程，僅影響頻率變化的穩(wěn)態(tài)值，且阻尼系數D越大，頻率的穩(wěn)態(tài)變化量越小。

仿真分析頻率調節(jié)系數Kω對VSG輸出頻率的影響時，設定轉動慣量J=11，阻尼系數D=0，Kω分別取3×104/π、4×104/π、5×104/π，初始負載有功功率和無功功率分別為20 kW和10 kvar，1 s時，負載有功功率和無功功率分別突增20 kW和10 kvar。仿真結果如圖7（c）。由圖可以看出，Kω與頻率變化量成反比，而與頻率變化率df/dt無關。Kω越小，頻率調整時間越長，這是因為Kω改變了VSG調速器的輸出機械功率，進而影響了頻率調整時間。

圖8為采用自適應調節(jié)VSG控制下負荷突增情況下的頻率響應對比結果（這里設定C1=0.2，C2= 0.5）?？梢钥闯?，即使采用VSG控制，當負荷突增的瞬間，系統的頻率變化率仍然很大；采用自適應調節(jié)VSG控制策略后，可以能夠有效地降低負荷突增瞬間微網系統的頻率變化率，改善了微網系統的動態(tài)響應；同時，系統的頻率調整時間也并沒有過分增加，從而驗證了變虛擬慣性常數控制策略的有效性。

圖8　負荷突增時系統的動態(tài)響應Fig.8　System dynamic response during load sudden increasing

為了驗證上述VSG控制方法中，阻尼系數D對微源輸出端P-f下垂特性以及有功功率分配性能的影響，本文設計一個如圖9所示的雙機系統。2 臺DG通過線路連接到微網內母線上向負荷供電，微源逆變器均采用自適應調節(jié)虛擬同步發(fā)電機控制策略，阻尼系數分別取0和20，其余控制參數均相同（參見表1），微源逆變器輸出有功功率的仿真結果如圖10所示。

圖9　微源逆變器并聯運行仿真模型Fig.9　Simulation mode of parallel microsource

圖10　阻尼系數對微源逆變器有功負荷分配影響Fig.10　Damping coefficient effect on active load distribution

由圖10（a）可以看出，由于阻尼系數D的不同，雖然微源調速器參數Kω相同，兩臺微源的靜態(tài)有功功率分配不等于1∶1。這是因為阻尼系數D改變了微源輸出端靜態(tài)P-f下垂特性曲線，從而干擾了并聯微源逆變器之間的有功功率分配。

由圖10（b）可以看出，補償了阻尼系數D對P-f下垂特性曲線的干擾，負載突變后有功負荷分配的均分效果較好，2臺微源逆變器發(fā)出的有功功率幾乎一樣。

4　結語

采用同步發(fā)電機的轉子運動方程、一次調頻特性以及無功功率-電壓下垂控制原理構造的虛擬同步發(fā)電機控制策略，較好地模擬了同步發(fā)電機組大慣性的外特性，提升了微源逆變器頻率控制性能。

VSG控制中虛擬慣性時間常數取值不同，在頻率動態(tài)調節(jié)過程中分布式逆變電源將表現出不同的慣性。因此，在慣性時間常數的選擇上，應綜合微電網系統的整體要求以及每個微源自身的響應特性，并考慮逆變電源的動態(tài)響應時間、超調量及達到穩(wěn)定所需時間等。相比于實際同步發(fā)電機，VSG的虛擬慣性時間常數可以根據需要靈活可調。本文采用的自適應調節(jié)VSG控制策略，在微網孤島運行時具有重要作用。它可以有效地降低微網系統發(fā)生負荷突變時的頻率變化率，同時使頻率調整時間不至于過長，有利于微網系統的安全穩(wěn)定運行。

為了減弱阻尼系數D的引入對微源逆變器輸出端P-f下垂特性的不利影響，本文設置了相應的前饋補償，有效地提高了微源逆變器有功功率分配性能。

本文所提出的基于自適應調節(jié)的虛擬同步發(fā)電機控制策略對微網逆變電源進行了簡化等效。實際微網中含有各種類型DG，其外部輸出特性隨著工況的改變也呈現各不相同的特性。針對DG實時輸出特性，以變虛擬慣性常數為核心的自適應虛擬同步發(fā)電機控制策略，在判據整定計算、系統暫態(tài)特性分析等方面都具備進一步提升的空間，也是未來工作的努力方向之一。

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Control Strategy of Virtual Synchronous Generator Based on Adaptive Adjusting for Distributed Inverters

ZHANG Yanan，ZHU Miao，ZHANG Jianwen，CAI Xu
（Wind Power Research Center，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Micro-grid enables distributed power realize distributed development，local absorb and efficient application，but its inertia in islanding is small，and the frequency is greatly affected by load fluctuations.The introduction of virtual synchronous generator control strategy to improve micro-grid system frequency stability plays an important role，and the inertia parameters of virtual synchronous generator control strategy is introduced virtually，it can refer to the actual parameters of synchronous generator and can adjust flexibly according to needs.An adaptive adjustment of virtual synchronous generator control strategy is proposed，which can correct virtual inertia parameters according to the actual operating conditions in real-time and ensure the safety and stable operation of micro-grid systems.Both the correctness and validity of the proposed control strategy have been verified by the simulation results in Matlab/ Simulink platform.

island operation；inverter；virtual synchronous generator；adaptive adjusting；frequency stability

張亞楠

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.3.11

TM46

A

張亞楠（1989-），男，碩士，研究方向：功率變換器控制技術，E-mail：daanyijiu 2008@126.com。

朱淼（1979-），男，通信作者，博士，研究員/博導，研究方向：大功率電力電子技術，混合交直流電力系統，新能源及分布式發(fā)電，開關電源等，E-mail∶miaozhu@ sjtu.edu.cn。

張建文（1981-），男，博士，講師，研究方向：大功率電力電子拓撲及控制技術、新能源及分布式發(fā)電技術、直流匯聚及輸電技術等，E-mail∶icebergzjw@sjtu.edu.cn。

蔡旭（1964-），男，博士，教授，博士生導師，研究方向：大功率電力電子、風電機組電氣控制，輕型直流輸配電，大容量電池儲能接入系統、可再生能源并網技術、電能質量治理裝置，E-mail∶xucai@sjtu.edu.cn。

2015-09-08

國家自然科學基金資助項目（51477102）

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51477102）