石榮亮 張 興 劉 芳 徐海珍 余 勇

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虛擬同步發(fā)電機(jī)及其在多能互補(bǔ)微電網(wǎng)中的運(yùn)行控制策略

石榮亮1張 興1劉 芳1徐海珍1余 勇2

（1. 合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 合肥 230009 2. 陽光電源股份有限公司 合肥 230088）

針對(duì)西藏措勤縣微網(wǎng)示范電站具有光伏、風(fēng)電以及水電等在內(nèi)的多能互補(bǔ)微網(wǎng)特性，研究并提出可以靈活實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)組網(wǎng)的虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）控制策略，討論了多能互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)各單元的組成及其控制，闡述了VSG的原理與系統(tǒng)建模，研究并分析了系統(tǒng)運(yùn)行中光電站獨(dú)立供電模式、光伏電站與水電站聯(lián)合供電模式以及兩種模式間的無縫切換策略，通過該微網(wǎng)的運(yùn)行考核驗(yàn)證了所提控制策略的可行性與有效性。結(jié)果表明，所提的VSG控制策略具有較好的有功、無功均分性能；同時(shí)，還能很好地為系統(tǒng)提供慣性和阻尼，提升微網(wǎng)的供電質(zhì)量與穩(wěn)定運(yùn)行能力；此外，還能滿足微網(wǎng)不同運(yùn)行模式之間的無縫切換。

多能互補(bǔ)微網(wǎng) 虛擬同步發(fā)電機(jī) 光電站 水電站 無縫切換

0 引言

微網(wǎng)是一種將分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置、交流變換器以及監(jiān)控保護(hù)裝置有機(jī)整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)[1,2]。憑借微網(wǎng)的運(yùn)行控制和能量管理等關(guān)鍵技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)其并網(wǎng)或孤島運(yùn)行、降低間歇性分布式電源給配電網(wǎng)帶來的不利影響，提高供電可靠性和電能質(zhì)量[3]。作為一種重要的技術(shù)解決方案，微網(wǎng)被提出用于解決可再生分布式能源的接入和管理問題[4,5]。在此背景下，微網(wǎng)在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展，相關(guān)研究和實(shí)踐活動(dòng)日益廣泛和深入。

示范工程是微網(wǎng)相關(guān)技術(shù)及其研究成果的集中驗(yàn)證和展示，對(duì)微網(wǎng)的研究和應(yīng)用均具有重要的意義。目前，國(guó)外用于科研的微網(wǎng)主要實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)微網(wǎng)各部分動(dòng)態(tài)性能、對(duì)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過程進(jìn)行分析等；而用于居民小區(qū)配套的微網(wǎng)主要實(shí)現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供，運(yùn)行模式單一，對(duì)于微網(wǎng)運(yùn)行模式的綜合分析、綜合控制及無縫切換等研究較少或受容量限制不具備代表性和借鑒性[6,7]。國(guó)內(nèi)微網(wǎng)由于供電環(huán)境復(fù)雜、運(yùn)行模式多樣，在保證供能的基礎(chǔ)上更多的關(guān)注能量綜合控制、多微電源協(xié)調(diào)控制及快速解列并列裝置的研制[8-10]。對(duì)于含柴油發(fā)電、光電、風(fēng)電、儲(chǔ)能及水電等分布式電源構(gòu)成的多能互補(bǔ)微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行及兩種模式間的無縫切換[11-14]，還缺乏系統(tǒng)的研究與現(xiàn)場(chǎng)考核。

本文針對(duì)西藏措勤縣微網(wǎng)示范電站這一典型的多能互補(bǔ)微電網(wǎng)，主要分析其在運(yùn)行過程中的光電站獨(dú)立供電模式、光電站與水電站聯(lián)合供電模式以及兩種模式間的無縫切換。基于現(xiàn)場(chǎng)額定容量為500kV?A的儲(chǔ)能電壓源型逆變器（Voltage Source Inverter, VSI），提出可以靈活實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)組網(wǎng)，及其應(yīng)對(duì)離網(wǎng)與并網(wǎng)運(yùn)行模式間無縫切換的虛擬同步發(fā)電機(jī)（Virtual Synchronous Generator, VSG）控制策略；并對(duì)VSG的慣性與阻尼參數(shù)、儲(chǔ)能單元配置及零起升壓時(shí)間進(jìn)行了合理化設(shè)計(jì)；最后通過該微網(wǎng)示范電站的運(yùn)行考核驗(yàn)證了所提控制策略的可行性。

1 西藏措勤縣微網(wǎng)示范電站及其多能互補(bǔ)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

西藏措勤縣微網(wǎng)示范電站包括水電、光伏、風(fēng)電、柴油發(fā)電、鋰電儲(chǔ)能和鉛酸儲(chǔ)能等互補(bǔ)供電電源，其中，水電裝機(jī)容量960kW、光伏容量440kW、風(fēng)電裝機(jī)容量60kW、柴油發(fā)電機(jī)300kW、儲(chǔ)能變流器共計(jì)1MW和儲(chǔ)能電池容量2.7MW·h，是接入能源類型最多，系統(tǒng)復(fù)雜程度最高，使用環(huán)境最惡劣的微網(wǎng)工程之一[15]。該電站位于海拔4 700多米的西藏阿里措勤縣，建成3條電源進(jìn)線、4條負(fù)荷出線的10kV電網(wǎng)，初步形成了供電可靠、檢修靈活的縣域電網(wǎng)，電網(wǎng)輻射縣城4條街道和周邊村鎮(zhèn)4 000多城鎮(zhèn)、工商、牧民客戶。多能互補(bǔ)微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多能互補(bǔ)微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

柴油發(fā)電、光伏、風(fēng)電及水電作為分布式能源，既能向負(fù)載供電，又能為儲(chǔ)能電池充電；儲(chǔ)能電池作為可控單元，一方面能夠消除風(fēng)電、光伏和水電等可再生能源發(fā)電的間歇性對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，另一方面能接受系統(tǒng)調(diào)度、削峰填谷，提升系統(tǒng)的供電質(zhì)量；不同儲(chǔ)能單元之間的能量也能交互傳遞；形成一個(gè)風(fēng)/光/柴/儲(chǔ)/水多能互補(bǔ)的微網(wǎng)。該系統(tǒng)由光電站和水電站兩部分組成，其中，S為母聯(lián)開關(guān)；S1、S2、S3為光電站與水電站組網(wǎng)開關(guān)；S4～S8為分布式電源連接開關(guān)；S9～S12為負(fù)載開關(guān)。

2 多能互補(bǔ)微網(wǎng)中的分布式電源及其控制

2.1 傳統(tǒng)水電機(jī)組特性

水電站由3臺(tái)320kW的異步水力發(fā)電機(jī)組成。水力發(fā)電機(jī)組大致分為調(diào)頻機(jī)組和調(diào)功機(jī)組兩類。其中，調(diào)頻機(jī)組的調(diào)頻特性如圖2a所示。當(dāng)系統(tǒng)頻率在49.5～50.5Hz范圍內(nèi)，水輪機(jī)保持其導(dǎo)葉的開度不變；當(dāng)系統(tǒng)頻率超出49.5～50.5Hz范圍時(shí)，調(diào)頻機(jī)組開始調(diào)節(jié)其導(dǎo)葉開度，控制其有功輸出，但由于導(dǎo)葉開度控制屬于分級(jí)控制，因此會(huì)產(chǎn)生控制超調(diào)量。同時(shí)，由于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)子慣性小，其對(duì)應(yīng)的一次調(diào)頻下垂系數(shù)較大。

（a）調(diào)頻機(jī)組 （b）調(diào)功機(jī)組

圖2 水電機(jī)組調(diào)頻特性

Fig.2 Frequency modulation principle of hydropower

調(diào)功機(jī)組的調(diào)頻原理如圖2b所示。該類機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)，按照調(diào)度系統(tǒng)的指令值運(yùn)行。如果系統(tǒng)頻率超出46～54Hz范圍，調(diào)功機(jī)組調(diào)節(jié)其導(dǎo)葉開度參與調(diào)頻。同樣，調(diào)頻過程也會(huì)產(chǎn)生頻率超調(diào)。

2.2 基于儲(chǔ)能VSI的VSG建模

儲(chǔ)能單元由2.4MW·h鉛酸儲(chǔ)能電池和300kW·h鋰電儲(chǔ)能電池組成，其在微網(wǎng)中擔(dān)任組網(wǎng)和運(yùn)行控制的基本功能。鋰電池作為功率型儲(chǔ)能單元應(yīng)對(duì)瞬間高功率的輸入與輸出，主要用于系統(tǒng)調(diào)頻；鉛酸電池作為能量型儲(chǔ)能單元應(yīng)對(duì)高電能的調(diào)制與管理，主要用于系統(tǒng)調(diào)峰。將兩者配置于微網(wǎng)系統(tǒng)中，有利于系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)峰，維持微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)采用如圖3a所示的結(jié)構(gòu)，由蓄電池、儲(chǔ)能VSI和隔離變壓器構(gòu)成，儲(chǔ)能VSI的控制系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)分布式電源組網(wǎng)運(yùn)行及其與水電站并聯(lián)運(yùn)行兩個(gè)目的。

（a）主電路結(jié)構(gòu)

（b）控制框圖

圖3 基于儲(chǔ)能VSI的VSG控制結(jié)構(gòu)

Fig.3 The control strategy of VSG based on VSI

考慮圖3a所示的儲(chǔ)能VSI主電路結(jié)構(gòu)，借鑒同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程及電磁方程，下面將給出基于儲(chǔ)能VSI的VSG控制策略[16-20]。

首先，由牛頓第二定律可知，VSG的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程可表示為

式中，m、e和D分別為同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械、電磁和阻尼功率；在極對(duì)數(shù)為1的情況下，同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械角速度即為其電氣角速度；0為電網(wǎng)同步角速度；為阻尼系數(shù)；為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。其中，VSG輸出的瞬時(shí)電磁功率可以由機(jī)端電壓abc和輸出電流abc計(jì)算得到。

式中，od、oq分別為abc在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d、q軸分量；od、oq分別為abc的d、q軸分量。通過陷波器可得VSG的平均電磁功率e為

式中，y為陷波器的諧波角頻率；為品質(zhì)因數(shù)。VSG的虛擬機(jī)械功率m由兩部分組成，即

式中，ref為VSG的有功給定；D為VSG的自動(dòng)頻率調(diào)節(jié)器的輸出；為有功調(diào)節(jié)系數(shù)。可見，VSG的頻率-有功控制在為微網(wǎng)系統(tǒng)提供慣性與阻尼的同時(shí)，還能針對(duì)其接入點(diǎn)頻率的偏差做出有功調(diào)節(jié)響應(yīng)，有效提升儲(chǔ)能VSI應(yīng)對(duì)頻率異常事件的能力。

其次，由圖3a可以得到VSG的電磁方程為

式中，為同步電抗；為電樞電阻；abc為VSG的內(nèi)電動(dòng)勢(shì)，abc=[sinsin(2p/3) sin(+2p/3)]T，為VSG的相位，=，為內(nèi)電動(dòng)勢(shì)的幅值。

VSG暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)由兩部分組成，即

式中，0為VSG的空載電動(dòng)勢(shì)；E為VSG的無功功率調(diào)節(jié)器的輸出；為無功調(diào)節(jié)系數(shù)；ref為VSG的無功給定；為VSG輸出的平均無功功率，可表示為

可見，VSG的電壓-無功調(diào)節(jié)在保證并聯(lián)儲(chǔ)能VSI間無功均流的同時(shí)，還能參與微網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)，根據(jù)電壓幅值偏差為其接入的電網(wǎng)提供必要的無功支撐。結(jié)合式（1）～式（7）可得圖3b所示的基于儲(chǔ)能VSI的VSG控制框圖，為了改善電壓輸出性能，底層采用電容電壓外環(huán)與電感電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制。

2.3 慣性和阻尼參數(shù)的整定

對(duì)于圖3所示的VSG系統(tǒng)，可得VSG的輸出視在功率為

式中，g為微網(wǎng)電壓幅值；為VSG的功角，=(0)d；為線路等效電抗，=gs。由于一般很小，得sin≈，則有功功率可近似為

對(duì)式（9）分別求一階、二階導(dǎo)數(shù)得到

把式（4）及式（10）代入式（1）得到

對(duì)式（11）進(jìn)行拉氏變換得到

由前述分析及式（12）得到VSG的小信號(hào)穩(wěn)定分析模型，如圖4a所示，其中p=+1。VSG的輸入與輸出功率之間的傳遞函數(shù)是一個(gè)典型的二階系統(tǒng)，其自然振蕩角頻率l和阻尼比分別為

（a）VSG小信號(hào)模型

（b）J和Dp參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖4 VSG動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析結(jié)構(gòu)

Fig.4 Dynamic responses of the VSG

表1列出了500kV·A的VSG的關(guān)鍵參數(shù)。把表1中的數(shù)據(jù)代入式（13）可得VSG在不同和p參數(shù)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果，如圖4b所示。由式（13）和圖4可以看出VSG的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量決定了其動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中的振蕩頻率；而阻尼p決定了其振蕩衰減的速率。舉例說明，當(dāng)20kg·m2時(shí)，為獲得較快響應(yīng)和較小超調(diào)，可選p=12，此時(shí)=0.707，對(duì)應(yīng)于最優(yōu)二階系統(tǒng)。

表1 500kV·A的VSG的關(guān)鍵參數(shù)

Tab.1 Key parameters of the 500kV·A VSG prototype

2.4 儲(chǔ)能單元配置原則

VSG是由儲(chǔ)能單元、逆變器及控制三部分組成，且由式（13）可知，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)與和p參數(shù)密切相關(guān)。參數(shù)和p與系統(tǒng)的阻尼比以及儲(chǔ)能單元配置也息息相關(guān)，下面給出不同和p時(shí)儲(chǔ)能單元的配置原則[20]。

首先，考慮系統(tǒng)過阻尼＞1時(shí)，式（12）對(duì)應(yīng)的二階系統(tǒng)的特征根為

當(dāng)指令功率階躍Dref時(shí)，VSG輸出響應(yīng)為

其中，1＜2。儲(chǔ)能單元釋放/吸收的能量為

當(dāng)→∞時(shí)，儲(chǔ)能單元所釋放/吸收的總能量為

式（18）對(duì)時(shí)間求導(dǎo)并令其導(dǎo)數(shù)為0，有

可知，當(dāng)=0時(shí)，()取得最大值為Dref，也是儲(chǔ)能單元最小需要配置的功率。同理，可分析系統(tǒng)欠阻尼與臨界阻尼時(shí)的儲(chǔ)能單元配置情況，由于論文篇幅有限，只給出結(jié)果，見表2，其中儲(chǔ)能單元最小容量即為功率指令階躍Dref時(shí)儲(chǔ)能單元所釋放/吸收的總能量。

表2 VSG儲(chǔ)能單元配置結(jié)果

Tab.2 Selection results of VSG energy storage unit

從表2可知：雖然不同的和p參數(shù)對(duì)應(yīng)不同的阻尼比以及不同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，但是VSG儲(chǔ)能單元所需配置的最小功率和最小容量相同。表3給出了現(xiàn)場(chǎng)鋰電儲(chǔ)能與鉛酸儲(chǔ)能電池的配置情況。

表3 儲(chǔ)能電池配置情況

Tab.3 Configuration of VSG energy storage battery

案例分析：鋰電儲(chǔ)能單元由3個(gè)電池柜并聯(lián)組成，每個(gè)電池柜由17個(gè)電池箱串聯(lián)組成，每個(gè)電池箱由36個(gè)3.2V/66A·h的電池單體按照3P12S方式組成。那么鋰電儲(chǔ)能VSG的直流側(cè)標(biāo)稱電壓為653V（=17×12×3.2V），鋰電電池允許的最大充、放電脈沖電流為2，即鋰電儲(chǔ)能單元的最大充、放電電流為1 188A（=2×66×3×3A），則最大允許充、放電功率為776kW（=653×1188W）；根據(jù)式（17）可得最小容量約為0.006 4?ref，而為了保證儲(chǔ)能VSI不過載運(yùn)行，Dref≤500kW，即0.006 4Dref≤3.2，其值遠(yuǎn)小于300kW?h，說明了鋰電儲(chǔ)能容量配置是合理的。同理，可分析鉛酸儲(chǔ)能配置情況。通過分析現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)能單元的配置情況，可知儲(chǔ)能VSI直流側(cè)的儲(chǔ)能電池滿足VSG的運(yùn)行需求，儲(chǔ)能單元配置合理。

3 系統(tǒng)運(yùn)行模式及其切換控制

3.1 并網(wǎng)/離網(wǎng)無縫切換技術(shù)

微網(wǎng)具有孤島和并網(wǎng)兩種不同的運(yùn)行模式。為了適應(yīng)微網(wǎng)的這一特點(diǎn)，需要研究?jī)?chǔ)能VSI的并網(wǎng)、離網(wǎng)雙模式運(yùn)行方式及兩種模式間的無縫切換。

3.1.1 并網(wǎng)/孤島模式切換

從前面的分析可以發(fā)現(xiàn)，VSG具有與同步發(fā)電機(jī)相比擬的外特性，等效為1個(gè)可控的電壓源，既可完成并網(wǎng)運(yùn)行，也能自治地離網(wǎng)運(yùn)行。因此，在計(jì)劃或非計(jì)劃孤島時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)切除后，VSG仍保持電壓源模式運(yùn)行為微網(wǎng)提供電壓支撐，因而可以自然地實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)/孤島模式的無縫切換。

3.1.2 孤島/并網(wǎng)模式切換

在儲(chǔ)能VSI接收到并網(wǎng)指令時(shí)，其輸出電壓的幅值和相位與電網(wǎng)電壓之間可能存在一定的偏差。如果對(duì)其輸出電壓，尤其是相位不加以控制，則儲(chǔ)能VSI并入電網(wǎng)后會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生過大的電流沖擊，導(dǎo)致孤島/并網(wǎng)切換失敗。

式中，ga為電網(wǎng)電壓；oa為儲(chǔ)能VSI輸出電壓。一般地，儲(chǔ)能VSI輸出電壓幅值與電網(wǎng)電壓幅值差別不大，即近似地有o≈g=，那么為

可見，離網(wǎng)運(yùn)行的儲(chǔ)能VSI電壓與電網(wǎng)電壓之間可能存在頻率差和相位差，導(dǎo)致PCC兩側(cè)電壓存在大的瞬時(shí)偏差（偏差的最大峰值為）。在電壓不同步的情況下，將儲(chǔ)能VSI投入電網(wǎng)，可能產(chǎn)生過大的沖擊電流，導(dǎo)致切換失敗。因此，需要尋找一種穩(wěn)定的無縫切換控制方法。

預(yù)同步單元用于控制VSG的輸出電壓跟蹤電網(wǎng)電壓，以降低并網(wǎng)/離網(wǎng)模式切換過程中的沖擊電流，實(shí)現(xiàn)無縫切換[21]。包括幅值同步和相位同步，分別通過調(diào)整0和0實(shí)現(xiàn)，控制原理為

式中，Dwsyn為疊加在0上的相位同步信號(hào)；Dsyn為疊加在0上的幅值同步信號(hào)；g為電網(wǎng)電壓的相位；、K分別為相位、幅值的同步系數(shù)。預(yù)同步控制框圖如圖5所示，閉合S啟動(dòng)預(yù)同步控制，斷開S退出預(yù)同步控制，并復(fù)位相位、幅值的同步積分調(diào)節(jié)器。

圖5 預(yù)同步控制框圖

3.2 微網(wǎng)運(yùn)行模式及其切換

微網(wǎng)運(yùn)行模式主要分為三種：光電站供電模式、水電站供電模式及光電站與水電站聯(lián)合供電模式。由于水電站供電的研究與應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，這里主要介紹光電站供電、光電站與水電站聯(lián)合供電以及兩種模式間的切換。具體實(shí)現(xiàn)如圖6所示。

3.2.1 光電站獨(dú)立供電模式

當(dāng)水電站處于枯水期或檢修停電時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)不間斷供電，光電站將獨(dú)立供電。首先，斷開組網(wǎng)開關(guān)S3及負(fù)載開關(guān)S9～S12，確保儲(chǔ)能VSI能夠空載啟動(dòng)。其次，閉合連接開關(guān)S4～S8以及組網(wǎng)開關(guān)S1和S2，確保光電站內(nèi)所有配電變壓器零起升壓。再次，先后啟動(dòng)鉛酸儲(chǔ)能VSG與鋰電儲(chǔ)能VSG，經(jīng)過預(yù)同步控制過程，實(shí)現(xiàn)兩者并聯(lián)，共同支撐微網(wǎng)電壓。此后，啟動(dòng)光伏及風(fēng)電等電流源型變流器，利用光伏與風(fēng)電給儲(chǔ)能電池充電。最后，逐個(gè)閉合負(fù)載開關(guān)S9～S12，實(shí)現(xiàn)光電站獨(dú)立供電。柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急備用電源，在儲(chǔ)能電池虧電的特殊情況下，起動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)。

圖6 微網(wǎng)兩種運(yùn)行模式及其切換流程

3.2.2 光電站與水電站聯(lián)合供電模式

為了減小水電站的出力以延長(zhǎng)水電機(jī)組的使用壽命，光電站與水電站并聯(lián)運(yùn)行，聯(lián)合為現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷供電。首先，逐個(gè)閉合控制開關(guān)S1～S8，將水電送入光電站，為各分布式單元提供電壓支撐。然后，先后啟動(dòng)鉛酸儲(chǔ)能VSG與鋰電儲(chǔ)能VSG，經(jīng)過預(yù)同步控制過程，實(shí)現(xiàn)水電站并聯(lián)運(yùn)行。最后，依次啟動(dòng)光伏以及風(fēng)機(jī)變流器，實(shí)現(xiàn)光電站與水電站聯(lián)合向負(fù)荷供電。

3.2.3 聯(lián)合/獨(dú)立供電模式切換

在光電站與水電站并聯(lián)運(yùn)行過程中，當(dāng)水電站計(jì)劃或非計(jì)劃停電時(shí)，光電站將切換到獨(dú)立供電模式。由于儲(chǔ)能VSI在兩種工作模式下都保持VSG控制的電壓源模式并聯(lián)運(yùn)行，進(jìn)而在切換過程中不會(huì)出現(xiàn)明顯的暫態(tài)過程。配置在儲(chǔ)能VSI直流側(cè)的儲(chǔ)能電池，能夠自動(dòng)提供VSG在新的運(yùn)行平衡點(diǎn)對(duì)輸出功率缺額的補(bǔ)給，保證了光電站在脫離水電站后獨(dú)立供電的穩(wěn)定性。

3.3 VSG關(guān)鍵參數(shù)選擇

3.3.1 同步控制參數(shù)選擇

根據(jù)圖5可知，每個(gè)工頻周期得到微網(wǎng)電壓與VSG輸出電壓的相位差值D，則VSG下一周期基準(zhǔn)電壓的頻率為[21]

式中，D為VSG電壓超前微網(wǎng)電壓的相位。若微網(wǎng)相位超前，即D為負(fù)值，經(jīng)過式（17）的調(diào)節(jié)，下一周期VSG電壓基準(zhǔn)頻率大于微網(wǎng)頻率，則在下一個(gè)周期內(nèi)，它們之間的相位差就會(huì)減小，經(jīng)過若干個(gè)工頻周期，最終兩者間的相位差為0。假定經(jīng)過一個(gè)工頻周期，使兩者相位同步，則有

式中，0為微網(wǎng)電壓周期，結(jié)合式（23）和式（24），得到

同理，一個(gè)工頻周期內(nèi)使兩者幅值同步，則有

根據(jù)式（25）和式（26）得到的相位、幅值積分系數(shù)即為微網(wǎng)電壓頻率值，它會(huì)隨著微網(wǎng)頻率的變化而變化。為了保證一定的穩(wěn)定裕度，在實(shí)際中可以取與K均小于電網(wǎng)頻率值。

3.3.2 零起升壓時(shí)間選擇

為抑制配電變壓器在VSG啟動(dòng)過程中的勵(lì)磁涌流，VSG應(yīng)確保其輸出電壓幅值是從零并以某一恒定斜率逐漸增大到額定值。因此，輸出電壓幅值軟啟動(dòng)控制按照式（27）給定。

在對(duì)配電變壓器零起升壓的過程中，過快地增加母線電壓幅值可能導(dǎo)致VSG因配電變壓器出現(xiàn)勵(lì)磁涌流而故障停機(jī)，因此需要對(duì)式（27）中的調(diào)節(jié)時(shí)間T的取值加以限制[9]。在零起升壓過程中，配電變壓器一次側(cè)的端電壓為

式中，1為一次繞組的匝數(shù)；1、1分別為一次繞組的電阻、自感；為通過一次繞組的總磁通。在零起升壓的過程中，假定1為定值，將式（28）代入式（29）并分段求解，得到配電變壓器的總磁通為

其中

式中，m為穩(wěn)態(tài)時(shí)磁通幅值；1和2為自由分量幅值，并由合閘時(shí)刻的鐵心剩磁r決定。由式（30）可以看到，鐵心主磁通由兩部分相加而成，分別為穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量。其中，暫態(tài)分量為衰減指數(shù)函數(shù)，衰減的快慢由時(shí)間常數(shù)=1/1所決定。

考慮最不利情況，為了抑制配電變壓器出現(xiàn)勵(lì)磁涌流，選定電壓初始相位=p，且忽略磁通中的指數(shù)衰減，即1≈0。假設(shè)合閘時(shí)刻，鐵心剩磁r=0，則式（30）變換為

式（31）對(duì)時(shí)間求導(dǎo)并令其導(dǎo)數(shù)為0，有

由式（32）可知，當(dāng)cos(t)=0，即t=(21)p/2，為正整數(shù)時(shí)，()取得極值。式（32）對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，有

由式（33）可知，當(dāng)sin(t)=0，即t=(41)p/2，()極大值為

為了避免變壓器因鐵心飽和而出現(xiàn)勵(lì)磁涌流，在∈(0,T)階段應(yīng)保證

而在∈(0,T)時(shí)間段，鐵心可能達(dá)到的最大磁通大于m，考慮到變壓器飽和磁通約為1.2～1.4倍的m，則有

為保證VSG啟動(dòng)的快速性以及變壓器的鐵心磁通在任意時(shí)刻不飽和，T的取值范圍應(yīng)取式（35）和式（36）的交集，即VSG在零起升壓過程中，其電壓幅值上升時(shí)間T應(yīng)滿足

4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試步驟及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證VSG控制策略在多能互補(bǔ)微網(wǎng)運(yùn)行及控制過程中的可行性和有效性，在圖1所示的西藏措勤縣微網(wǎng)示范電站中，利用現(xiàn)場(chǎng)的兩臺(tái)額定容量為500kV?A的儲(chǔ)能VSI，搭建兩臺(tái)500kV·A的VSG樣機(jī)，主要參數(shù)見表1。結(jié)合3.2節(jié)的分析，下面給出現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試步驟以及相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果。各關(guān)鍵步驟所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7a給出了鉛酸儲(chǔ)能VSG帶著光電站內(nèi)所有配電變壓器零起升壓過程中，其輸出電壓與電流的測(cè)試波形?？梢钥闯?，啟動(dòng)過程中配電變壓器無勵(lì)磁涌流，這表明了VSG具有對(duì)配電變壓器進(jìn)行零起升壓的預(yù)充磁功能，但由于變壓器制造工藝的影響，實(shí)驗(yàn)中勵(lì)磁電流的諧波含量較多。

（a）零起升壓過程

（b）電壓同步過程

（c）投入現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程

（d）并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)切換過程

（e）離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)過程

圖7 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

Fig.7 Field test results

鉛酸儲(chǔ)能VSG建立穩(wěn)定的電壓之后啟動(dòng)鋰電儲(chǔ)能VSG，經(jīng)過預(yù)同步控制，兩者間的電壓差D逐漸減小，最終實(shí)現(xiàn)鋰電儲(chǔ)能VSG的離網(wǎng)/并網(wǎng)無縫切換，結(jié)果如圖7b所示。待兩者并聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行后，投入現(xiàn)場(chǎng)一路負(fù)荷，從圖7c可以看出，VSG能夠并聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行、快速均分負(fù)荷，且在系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，保證微網(wǎng)系統(tǒng)電壓和頻率穩(wěn)定。

從圖7d所示的鉛酸儲(chǔ)能VSG輸出電壓與電流波形可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋰電儲(chǔ)能VSG斷開后，給系統(tǒng)電壓帶來的影響不大，且鉛酸儲(chǔ)能VSG能快速調(diào)節(jié)其出力，以滿足系統(tǒng)功率的供給平衡，實(shí)現(xiàn)鋰電儲(chǔ)能VSG的并網(wǎng)/離網(wǎng)模式的無縫切換。

鉛酸儲(chǔ)能VSG與水電站并聯(lián)運(yùn)行后，鋰電儲(chǔ)能VSG切入并網(wǎng)與鉛酸儲(chǔ)能VSG均分負(fù)載的測(cè)試波形如圖7e所示。圖7e中自上而下分別為微網(wǎng)母線電壓PCC、鉛酸VSG輸出電流o1、鋰電VSG輸出電流o2及兩者間電流差值Do的波形。從中不難發(fā)現(xiàn)在鋰電VSG從離網(wǎng)切換到并網(wǎng)模式過程中，經(jīng)過預(yù)同步控制，保證了VSG運(yùn)行模式的無縫切換，并經(jīng)過電壓和頻率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，兩者間的電流差值Do逐漸減小，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均分。最終，完成微網(wǎng)系統(tǒng)不同運(yùn)行模式及其切換的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

利用Fluke的三相電能質(zhì)量記錄儀得到24h內(nèi)光電站與水電站聯(lián)合供電以及水電站獨(dú)立供電兩種模式下負(fù)載端三相相電壓的有效值波動(dòng)、頻率波動(dòng)及總諧波失真（Total Harmonic Distortion, THD）的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別如圖8a～圖8c所示。圖8中上圖為聯(lián)合供電實(shí)驗(yàn)結(jié)果；下圖為獨(dú)立供電實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從圖8a可以看出，光電站與水電站聯(lián)合供電時(shí)，負(fù)載端三相相電壓的有效值在之間波動(dòng)，大部分供電時(shí)間都維持在的范圍內(nèi)。水電站獨(dú)立供電時(shí)，電壓有效值在的范圍內(nèi)波動(dòng)，且難以趨于平穩(wěn)。可見VSG能夠根據(jù)電壓幅值的偏差為其接入的微網(wǎng)提供必要的無功支撐，維持微網(wǎng)電壓的平衡。

（a）三相電壓有效值波動(dòng)對(duì)比

（b）系統(tǒng)頻率波動(dòng)對(duì)比

（c）三相電壓的THD對(duì)比

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

Fig.8 Comparison of experimental results

從圖8c可以看出，聯(lián)合供電時(shí)，負(fù)載端三相相電壓的THD維持在2%附近（最小的THD為1%），而獨(dú)立供電時(shí)，電壓的THD在3%附近波動(dòng)（最大的THD為4.6%）。

通過上述兩種不同的供電實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可知：水電站獨(dú)立供電時(shí)，由于其調(diào)頻過程屬于分級(jí)控制，因此頻率會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與3.1節(jié)分析一致；聯(lián)合供電時(shí)，由于VSG能夠針對(duì)其接入點(diǎn)電壓的頻率和幅值偏差作出快速的有功和無功調(diào)節(jié)響應(yīng)，因而系統(tǒng)電壓的頻率和幅值波動(dòng)較小?？梢?，這種集合水電、光伏、風(fēng)電、電池儲(chǔ)能等分布式電源的多能源互補(bǔ)的供電模式，可以有效提升微網(wǎng)的供電質(zhì)量與穩(wěn)定運(yùn)行能力。

5 結(jié)論

通過在西藏措勤縣微網(wǎng)示范電站現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所提VSG技術(shù)在基于儲(chǔ)能VSI的多分布式電源組網(wǎng)、與水電站并聯(lián)運(yùn)行以及適應(yīng)微網(wǎng)不同運(yùn)行模式間無縫切換的能力。結(jié)果表明：

1）基于所提的VSG控制策略，可以將儲(chǔ)能VSI模擬成同步發(fā)電機(jī)，為微網(wǎng)提供慣性和阻尼，有效提升微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力。

2）在所提控制策略中，儲(chǔ)能VSI能針對(duì)其接入點(diǎn)電壓幅值、頻率的偏差自動(dòng)做出無功與有功調(diào)節(jié)響應(yīng)。一方面，起到削峰填谷的作用，提高微網(wǎng)的供電質(zhì)量；另一方面，還可以通過預(yù)同步控制實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)離網(wǎng)/并網(wǎng)運(yùn)行模式間的無縫切換。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所提VSG控制策略的可行性和有效性，為多能互補(bǔ)微網(wǎng)示范電站的建設(shè)提供了技術(shù)保障。

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Control Technologies of Multi-Energy Complementary Microgrid Operation Based on Virtual Synchronous Generator

11112

（1. Institute of Electrical and Automation Engineering Hefei University of Technology Hefei 230009 China 2. Sungrow Power Supply Co. Ltd Hefei 230088 China）

The multi-energy complementary microgrid demonstration power plant of Tibet Couqin county including photovoltaic, wind farm and hydropower was comprehensively investigated in this paper. Firstly, virtual synchronous generator (VSG) control strategy for the flexible configuration of microgrid was proposed. Besides, the component of the multi-energy complementary microgrid and its control were discussed. Also, the principle and mathmatical model of the VSG were described. Additionally, the control function of VSG in the photovoltaic station standalone and parallel with hydropower station operation modes, as well as during the seamless transfer between two modes was analyzed. Finally, operational results of the microgrid were utilized to confirm the feasibility and effectiveness of the proposed control strategies. The experimental results demonstrate that the presented control strategy can not only perform good active and reactive sharing features, but also can provide significant inertia and damping for the microgrid to improve its power quality and stability. Furthermore, seamless transfer between different operation modes can be also ensured to satisfy the requirements of microgrid.

Multi-energy complementary microgrid, virtual synchronous generator, photovoltaic station, hydropower station, seamless transfer

TM464；TM732

石榮亮 男，1987年生，博士研究生，研究方向?yàn)樾履茉蠢门c分布式發(fā)電技術(shù)。

E-mail: shirl163@.com（通信作者）

張 興 男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘胤N電源、大功率風(fēng)力發(fā)電用變流器及大型光伏并網(wǎng)發(fā)電。

E-mail: longlf@ustc.edu.cn

2015-10-18 改稿日期 2016-02-26

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFB0900300）和國(guó)家自然科學(xué)基金（51677049）資助項(xiàng)目。