林巖，張建成

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北省保定市 071003)

基于自適應(yīng)下垂特性的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略

林巖，張建成

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北省保定市 071003)

基于虛擬同步發(fā)電機(jī)(virtual synchronous generator，VSG)控制的光儲單元可用于組建獨(dú)立微網(wǎng)，并為微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行提供有力支撐。但由于分布式電源輸出存在波動性和間歇性的問題，在長期運(yùn)行過程中，功率供需不平衡將會導(dǎo)致儲能設(shè)備的荷電狀態(tài)超過安全運(yùn)行范圍。針對該問題，將根據(jù)荷電狀態(tài)調(diào)整下垂系數(shù)的方法拓展到VSG控制之中。通過分析發(fā)現(xiàn)，改變下垂系數(shù)難以有效實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，且可能造成系統(tǒng)失穩(wěn)。通過引入自適應(yīng)下垂特性的概念，使用平移下垂特性的方法對VSG控制做了進(jìn)一步改進(jìn)，改進(jìn)后的VSG控制減少了對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，更有利于實(shí)現(xiàn)有功功率的合理分配與荷電狀態(tài)的快速調(diào)整。通過Matlab/Simulink工具搭建了仿真模型，對相關(guān)分析和所提策略進(jìn)行了系統(tǒng)仿真和方法驗(yàn)證。

虛擬同步發(fā)電機(jī)；下垂特性；光伏微網(wǎng)；自適應(yīng)控制；超級電容器

Control Strategy of Virtual Synchronous Generator Based on Adaptive Droop Characteristic

0 引 言

微網(wǎng)是由分布式電源(distributed generator，DG)、儲能設(shè)備、能量變換裝置和負(fù)載等組合而成的有機(jī)整體[1]，能夠與大電網(wǎng)互為支撐，協(xié)調(diào)分布式發(fā)電與電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行之間的矛盾[2]。

分布式電源一般通過逆變器接口與微網(wǎng)相連，逆變器的控制方法是微網(wǎng)的重要研究內(nèi)容之一[3]。尤其在孤島運(yùn)行時，失去了電網(wǎng)的支撐，微網(wǎng)必須自行對電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)[4]，逆變器控制策略的選擇就顯得更為重要。

下垂控制技術(shù)通過模擬同步發(fā)電機(jī)的有功-頻率和無功-電壓下垂關(guān)系，使其控制下的微源無需高頻通信即可完成負(fù)荷分配，具有靈活性和冗余性的優(yōu)點(diǎn)，因而在微網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用[5-7]。但下垂控制并未能夠解決分布式電源缺乏慣性的問題，由其組成的微網(wǎng)仍是一個“弱慣性”的系統(tǒng)[8-9]。

為解決分布式電源大規(guī)模應(yīng)用引起的電網(wǎng)穩(wěn)定性問題，歐洲學(xué)者在虛擬同步機(jī)項(xiàng)目中率先提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)(virtual synchronous generator，VSG)的概念[10]，通過引入同步發(fā)電機(jī)二階等效模型，使分布式電源能夠表現(xiàn)出虛擬的慣性和阻尼特性，并平抑頻率的快速波動[11-12]。

在實(shí)際微網(wǎng)中，由于光伏等發(fā)電方式存在間歇性和不穩(wěn)定性等問題，為實(shí)現(xiàn)虛擬同步發(fā)電機(jī)的功能，保障微網(wǎng)的供電穩(wěn)定性和可靠性，必須在微網(wǎng)中配置適量的儲能設(shè)備[13-14]。傳統(tǒng)的VSG控制通常以直流電源來等效分布式電源和儲能設(shè)備[15]。文獻(xiàn)[16-17]提出在直流側(cè)裝設(shè)儲能單元，并通過引入下垂控制環(huán)節(jié)，使VSG能同時工作于并網(wǎng)/離網(wǎng)模式，但并未對儲能與VSG的配合關(guān)系展開研究。針對下垂控制，文獻(xiàn)[18]中提出，根據(jù)荷電狀態(tài)改變下垂控制系數(shù)調(diào)整有功負(fù)載的分配關(guān)系的思想。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[19]提出了一種適用于直流微網(wǎng)的基于儲能單元荷電狀態(tài)的下垂控制改進(jìn)方法。文獻(xiàn)[20-22]均對應(yīng)用于交流微網(wǎng)中的下垂控制進(jìn)行了改進(jìn)，但文獻(xiàn)[20-21]未對分布式電源建模，忽略了分布式電源輸出變化對微網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)[22]中根據(jù)風(fēng)速區(qū)整定下垂系數(shù)的方法難以應(yīng)用于光伏微網(wǎng)中。文獻(xiàn)[23]提出了一種分段調(diào)節(jié)下垂系數(shù)的下垂控制方法，將光伏電源與儲能組合為混合單元，通過協(xié)調(diào)控制使混合單元能夠主動調(diào)整運(yùn)行工作點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)荷電狀態(tài)調(diào)整的同時，有效限制了頻率的變化區(qū)間，但仍然是通過整定有功下垂系數(shù)的方法來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在以上研究的基礎(chǔ)上，本文將根據(jù)荷電狀態(tài)改變有功分配的方法擴(kuò)展到VSG控制當(dāng)中，分析使用自適應(yīng)下垂系數(shù)方法時存在的問題，提出自適應(yīng)下垂特性的概念，進(jìn)一步改進(jìn)VSG控制。

1 下垂控制與VSG控制

以圖1所示的、包含2臺并聯(lián)逆變器的典型光伏交流微網(wǎng)為例。其中，DG1的直流側(cè)由光伏電源和超級電容器組成光儲發(fā)電單元，逆變器采用本文所提控制策略。DG2為采用一般VSG控制的發(fā)電單元。

圖1 光伏獨(dú)立微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Photovoltaic isolated microgrid structure

當(dāng)逆變器采用一般的下垂控制和VSG控制時，其有功-頻率控制方程可以表示為：

kω(ωref-ωg)+Pref-Pe=2Hs(ω-ωref)+D(ω-ωg)

(1)

kp(Pref-P)+ω0=ω

(2)

式中：Pref、Pe為有功功率參考值和虛擬電磁功率；ωg和ωref為交流母線角頻率和角頻率參考值；H和D為虛擬的慣性時間常數(shù)及阻尼因子；kω與kp分別為VSG和下垂控制中的有功下垂系數(shù)。

Pm=kω(ωref-ωg)+Pref

(3)

式(3)為模仿同步發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)原理構(gòu)成的功頻調(diào)節(jié)器，使VSG能夠參與一次調(diào)頻，Pm為虛擬機(jī)械功率。

假設(shè)線路呈感性，建立離網(wǎng)模式下的VSG小信號模型：

-kωΔωg-ΔP=JsΔω+D(Δω-Δωg)

(4)

根據(jù)潮流計(jì)算公式：

(5)

整理后得到：

(6)

同理可得下垂控制的小信號模型：

(7)

令s=0，可知加入功頻調(diào)節(jié)器后，VSG在離網(wǎng)模式下表現(xiàn)出與下垂控制一樣的有功-頻率下垂關(guān)系，且kω與kp，亦即一般的下垂特性斜率之間，成倒數(shù)關(guān)系?？梢詫⑾麓箍刂埔暈镠=0，D=0時的VSG控制[24]。

2 自適應(yīng)VSG控制

2.1 自適應(yīng)調(diào)整下垂系數(shù)

為根據(jù)光儲單元的儲能荷電狀態(tài)合理分配有功負(fù)載，并將微網(wǎng)頻率控制在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)，采用文獻(xiàn)[23]中提出的分段式下垂特性曲線。

如圖2所示，將下垂特性曲線分為位于角頻率上下閾值的水平直線段和位于區(qū)間內(nèi)的斜線段。斜線段的斜率m=Δωmax/Ppv，由頻率最大偏差值和光伏電源輸出功率共同決定，隨光伏出力動態(tài)調(diào)整。

圖2 分段式自適應(yīng)下垂特性曲線Fig.2 Multi-segment adaptive droop characteristic curve

當(dāng)光伏出力無法滿足微網(wǎng)中的有功負(fù)載需要時，VSG控制進(jìn)入下閾值水平段，控制儲能設(shè)備放電彌補(bǔ)微網(wǎng)中的功率缺額。

將自適應(yīng)調(diào)整下垂系數(shù)的方法拓展到VSG控制中，設(shè)計(jì)得到VSG控制框圖如圖3所示。

圖3 基于自適應(yīng)下垂系數(shù)的VSG控制Fig.3 VSG control based on adaptive droop coefficient

采用基于自適應(yīng)下垂系數(shù)的VSG控制后，光儲單元能夠根據(jù)超級電容器荷電狀態(tài)工作于如表1所示的4種工作模式。

表1 系統(tǒng)工作模式
Table 1 System operation mode

由于本文側(cè)重于逆變器控制的研究，因此不對模式III作進(jìn)一步分析。

圖4 自適應(yīng)調(diào)整下垂系數(shù)Fig.4 Adaptive droop coefficient

系統(tǒng)工作于模式IV時，為避免超級電容器因過放損壞，應(yīng)將光伏電能優(yōu)先用于充電，為此通過Δkmin環(huán)節(jié)減小kω值，等效地增大下垂特性曲線的斜率，減少DG1承擔(dān)的負(fù)載。

同時，通過對PI1、PI2的輸出幅值進(jìn)行限制，保證Δkmin、Δkmax在工作模式I下不會造成干擾。

采用基于自適應(yīng)下垂系數(shù)的VSG控制后，雖然由于引入虛擬慣性環(huán)節(jié)，提高了頻率的動態(tài)響應(yīng)效果，但依然存在以下幾個問題。

(1)觀察式(6)可知：等式右側(cè)第1項(xiàng)表現(xiàn)為低通濾波形式，使得Δω與ΔP間形成下垂關(guān)系；第2項(xiàng)表現(xiàn)為高通濾波形式，將對頻率動態(tài)變化造成高頻干擾。假設(shè)DG1與DG2的下垂斜率分別為m1、m2，在工作模式II下，當(dāng)微網(wǎng)負(fù)載與光伏出力接近時，根據(jù)有功分配關(guān)系，只有在m1遠(yuǎn)小于m2時，才能夠?qū)崿F(xiàn)PMPPT的全部輸入。相應(yīng)地在VSG控制中，kω值必須足夠大，否則充電功率無法減小至0，超級電容器將保持充電狀態(tài)，難以有效實(shí)現(xiàn)荷電狀態(tài)控制。若微網(wǎng)中存在電量不足的單元，則低電量單元必須保持一定的功率輸出，也不利于其荷電狀態(tài)的恢復(fù)。而當(dāng)kω足夠大時，高頻干擾項(xiàng)的作用將得到顯著增強(qiáng)，微網(wǎng)頻率不僅無法達(dá)到ωref，還將發(fā)生小范圍的持續(xù)抖動。因此，VSG在kω的取值問題上存在矛盾。

(2)文獻(xiàn)[25]指出，在下垂控制中，若下垂系數(shù)取值過大，將會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。為此文獻(xiàn)[23]限制了下垂系數(shù)的最大取值，也相應(yīng)地限制了DG的最小出力。在工作模式IV下，光儲單元將無法充分利用光伏電能對自身荷電狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。在VSG控制中，虛擬阻尼項(xiàng)增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，但在D的取值偏大或偏小時，同樣可能引起系統(tǒng)失穩(wěn)，或使高頻干擾項(xiàng)作用增強(qiáng)，因而對D值的選取形成了一定的制約?？梢姡捎孟麓瓜禂?shù)自適應(yīng)方法不能很好地通過有功功率重新分配，達(dá)到荷電狀態(tài)調(diào)整的目的，甚至可能對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響。為此本文提出了一種下垂特性自適應(yīng)的方法。

2.2 自適應(yīng)調(diào)整下垂特性

自適應(yīng)下垂特性的原理如圖5所示。系統(tǒng)工作于模式I時，仍采用第2.1節(jié)中的分段式下垂特性曲線。但當(dāng)系統(tǒng)從模式I過渡到其他模式時，不再使用改變下垂斜率的方法，而是通過平移整個下垂特性曲線來進(jìn)行調(diào)整。

圖5 自適應(yīng)調(diào)整下垂特性Fig.5 Adaptive droop characteristic

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入工作模式II時，沿水平方向向右平移下垂特性曲線，使VSG輸出增大，分配有功增加；當(dāng)系統(tǒng)工作于模式IV時，向左平移特性曲線以減小VSG輸出，由剩余能量較多的單元優(yōu)先承擔(dān)負(fù)載。通過水平移動下垂特性曲線的方法，同樣能夠達(dá)到改變系統(tǒng)運(yùn)行工作點(diǎn)、重新分配有功的目的，且調(diào)整過程中，kω僅隨光伏出力變化，從而避免了大幅度改變下垂系數(shù)時可能出現(xiàn)的問題。

據(jù)此設(shè)計(jì)基于自適應(yīng)下垂特性的VSG控制框圖如圖6所示。由于特性曲線平移過程當(dāng)中可能出現(xiàn)ω工作于ωref上方的情況，為保證微網(wǎng)頻率不超過正常運(yùn)行范圍，需要對ω的上下閾值都進(jìn)行限制，由此得到三段式的有功-頻率下垂特性。

圖6 基于自適應(yīng)下垂特性的VSG控制Fig.6 VSG control based on adaptive droop characteristic

VSG參考功率Pref=Pmax+Pmin，當(dāng)儲能設(shè)備的荷電狀態(tài)處于正常范圍時Pref輸出值為0，即系統(tǒng)正常工作時下垂特性不進(jìn)行平移。通過限幅環(huán)節(jié)限制了Pmin、Pmax對特性曲線的平移方向，Pmin僅能向左平移，Pmax僅能向右平移。

向左平移下垂特性時VSG還能從微網(wǎng)中吸收多余能量，這也是通過調(diào)整下垂系數(shù)所無法實(shí)現(xiàn)的。但本文考慮優(yōu)先利用光伏電能充電，因此將PI4幅值下限設(shè)置為-kωω，當(dāng)PI4輸出幅值下限時，Pm=0，VSG與微網(wǎng)間不進(jìn)行能量交換。

值得注意的是，通過平移實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整下垂特性的方法不僅可以用于VSG控制，同樣也適用于下垂控制。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink平臺搭建如圖1所示微網(wǎng)仿真模型對所作分析和所提控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。光伏陣列采用英利公司的YL250P-29b型號光伏電池板，具體參數(shù)見表2。

表2 光伏電池參數(shù)
Table 2 Parameters of PV cell

超級電容器組由25個MAXWELL公司的16 V小型超級電容器電池模塊(16 V/cell，58 F/cell)串聯(lián)而成，等效電容為2.32 F，等效串聯(lián)內(nèi)阻為550 mΩ。將超級電容器的絕對/相對工作電壓區(qū)間分別設(shè)定為(200 V，400 V)/(230 V，380 V)。將微網(wǎng)頻率的工作區(qū)間設(shè)定為49.6～50 Hz，其余控制參數(shù)見表3。

表3 VSG控制參數(shù)
Table 3 Control parameters of VSG

3.1 工作模式I

微網(wǎng)負(fù)載為15 kW，設(shè)定0～20 s光照強(qiáng)度發(fā)生連續(xù)波動，得到采用VSG控制時的仿真結(jié)果。保持實(shí)驗(yàn)條件不變，將DG1、DG2的逆變器控制方法改為下垂控制，再次進(jìn)行仿真。圖7為采用VSG控制和下垂控制時的仿真結(jié)果對比。

從圖7可以看出，采用VSG控制時，微網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)呈現(xiàn)為一個緩慢變化的過程，動態(tài)響應(yīng)效果優(yōu)于下垂控制。使用分段式下垂特性后，通過控制超級電容器充放電，微網(wǎng)頻率也被有效控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

圖7 模式I下的VSG與下垂控制對比Fig.7 Comparison of VSG and droop control under mode I

3.2 工作模式II

將光照強(qiáng)度設(shè)定為1 000 W/m2，DG1中光伏輸出功率為10 kW，微網(wǎng)負(fù)載為10 kW，圖8為分別采用不同VSG控制時的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比。

仿真開始后，超級電容器電壓持續(xù)上升，4.7 s時達(dá)到380 V。采用下垂系數(shù)自適應(yīng)控制時，由于kω值不夠大，DG1輸出小于10 kW，超級電容器充電功率大于0 kW，超級電容器電壓升高，使得kω進(jìn)一步增大。

圖8 模式II下的不同VSG控制方法對比Fig.8 Comparison of different VSG control methods

隨著以上過程的重復(fù)，10 s后高頻干擾項(xiàng)作用趨于明顯，引發(fā)了VSG角頻率和微網(wǎng)頻率抖動，頻率波動又對功率造成影響。隨著時間的推移，系統(tǒng)失穩(wěn)程度將不斷加劇。

另一方面，由于通過自適應(yīng)調(diào)整下垂系數(shù)的方法無法有效控制超級電容器電壓，整個過程當(dāng)中超級電容器一直處于充電狀態(tài)，將損耗設(shè)備的使用壽命。隨著超級電容器電壓的升高，系統(tǒng)必將進(jìn)入工作模式III，受功率波動的影響，還有可能導(dǎo)致系統(tǒng)在模式II和模式III之間頻率切換。

而采用平移調(diào)整的方法自適應(yīng)地下垂特性自后，DG1的有功輸出隨特性曲線的平移迅速達(dá)到 10 kW，超級電容器電壓在6 s時達(dá)到382 V后保持穩(wěn)定，不再進(jìn)行充放電，微網(wǎng)頻率升高至50 Hz，調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定而迅速。

由此證明，在儲能設(shè)備電量接近飽和時，采用基于下垂特性自適應(yīng)的VSG控制，能夠在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的條件下，更好地分配微網(wǎng)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)對荷電狀態(tài)的調(diào)整。

3.3 工作模式IV

設(shè)定微網(wǎng)負(fù)載為20 kW，7 s時負(fù)載減為8 kW，光照強(qiáng)度保持1 000 W/m2，圖9為仿真結(jié)果。

圖9 模式IV下的VSG與下垂控制對比Fig.9 Comparison of VSG and droop control under mode IV

由于光伏輸出小于微網(wǎng)負(fù)載，為彌補(bǔ)功率缺額，微網(wǎng)頻率降至49.6 Hz，超級電容器持續(xù)放電，端電壓在3.9 s時低于230 V。

采用下垂控制時，在未對kp進(jìn)行限制的情況下，為盡可能減少DG1輸出，下垂系數(shù)必須足夠大。系統(tǒng)穩(wěn)定裕度隨kp增大而減小，微網(wǎng)的頻率和功率均出現(xiàn)劇烈波動，直到超級電容器電壓回到相對下限后，系統(tǒng)才因kp減小而恢復(fù)穩(wěn)定。

采用自適應(yīng)下垂特性的VSG控制后，由于7 s前系統(tǒng)工作在水平直線段，無法立刻調(diào)整荷電狀態(tài)，且Pmin處于設(shè)定下限。因此在負(fù)荷驟減時，頻率出現(xiàn)了一個階躍響應(yīng)，但系統(tǒng)隨即恢復(fù)穩(wěn)定，并將光伏電能全部用于超級電容器充電，進(jìn)而完成對荷電狀態(tài)的調(diào)整，整個過程中未發(fā)生穩(wěn)定性問題。

證明在儲能設(shè)備電量低下時，采用基于自適應(yīng)下垂特性的VSG控制不必對功率輸出下限進(jìn)行嚴(yán)格約束，給有功分配提供了更大的調(diào)節(jié)裕度，更有利于荷電狀態(tài)的快速調(diào)節(jié)。

4 結(jié) 論

本文將基于荷電狀態(tài)調(diào)整下垂系數(shù)的方法拓展到VSG控制中，得到了自適應(yīng)VSG控制方法。通過分析得到，單純地改變下垂系數(shù)既限制了有功的調(diào)節(jié)范圍，還可能給系統(tǒng)帶來穩(wěn)定性問題。在此基礎(chǔ)上，提出了一種自適應(yīng)下垂特性的概念，對VSG控制作了進(jìn)一步改進(jìn)。當(dāng)儲能設(shè)備荷電狀態(tài)超過正常運(yùn)行范圍時，通過平移下垂特性曲線的方式來實(shí)現(xiàn)對有功分配關(guān)系的調(diào)整。

仿真結(jié)果表明，基于自適應(yīng)下垂特性的VSG控制避免了改變下垂系數(shù)時可能造成的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，能夠更為有效地實(shí)現(xiàn)有功功率分配與荷電狀態(tài)調(diào)整的目的，改進(jìn)后的VSG控制下的光儲單元能夠支撐光伏微網(wǎng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]黃偉，孫昶輝，吳子平，等.含分布式發(fā)電系統(tǒng)的微網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(9)：14-18.

HUANG Wei，SUN Changhui，WU Ziping，et al.A review on microgrid technology containing distributed generation system[J].Power System Technology，2009，33(9)：14-18.

[2]丁明，張穎媛，茆美琴.微網(wǎng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(11)：6-11.

DING Ming，ZHANG Yingyuan，MAO Meiqin.Key technologies for microgrids being researched[J].Power System Technology，2009，33(11)：6-11.

[3]李鵬，張玲，王偉，等.微網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用與分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33(20)：109-115.

LI Peng，ZHANG Ling，WANG Wei，et al.Application and analysis of microgrid [J].Automation of Electric Power Systems，2009，33(20)：109-115.

[4]張麗，徐玉琴，王增平，等.包含同步發(fā)電機(jī)及電壓源逆變器接口的微網(wǎng)控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011,35(3)：170-176.

ZHANG Li，XU Yuqin，WANG Zengping，et al.Control scheme of microgrid fed by synchronous generator and voltage source inverter[J].Power System Technology，2011,35(3)：170-176.

[5]關(guān)雅娟，鄔偉揚(yáng)，郭小強(qiáng).微電網(wǎng)中三相逆變器孤島運(yùn)行控制技術(shù)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(33)：52-60.

GUAN Yajuan，WU Weiyang，GUO Xiaoqiang.Control strategy for three-phase inverters dominated microgrid in autonomous operation[J].Proceedings of the CSEE，2011，31(33)：52-60.

[6]張平，石健將，李榮貴，等.低壓微網(wǎng)逆變器的“虛擬負(fù)阻抗”控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(12)：1844-1852.

ZHANG Ping，SHI Jianjiang，LI Ronggui，et al.A control strategy of ‘virtual negative’ impedance for inverters in low-voltage microgrid[J].Proceedings of the CSEE，2014，34(12)：1844-1852.

[7]呂志鵬，盛萬興，蔣雯倩，等.具備電壓穩(wěn)定和環(huán)流抑制能力的分頻下垂控制器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013,33(36)：1-9.

LYU Zhipeng，SHENG Wanxing，JIANG Wenqian，et al.Frequency dividing droop controllers with the function of voltage stabilization and circulation control [J].Proceedings of the CSEE，2013,33(36)：1-9.

[8]TAN X，LI Q，WANG H.Advances and trends of energy storage technology in microgrid [J].International Journal of Electrical Power & Energy Systems，2013，44(1)：179-191.

[9]KIM J Y，JEON J H，KIM S K，et al.Cooperative control strategy of energy storage system and microsources for stabilizing the microgrid during islanded operation[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(12)：3037-3048.

[10]LOIX T，DE BREUCKER S，VANASSCHE P，et al.Layout and performance of the power electronic converter platform for the VSYNC project[C]//Power Tech.Bucharest，Romania：IEEE，2009：1-8.

[11]MORREN J，DE HAAN S W H，KLING W L，et al.Wind turbines emulating inertia and supporting primary frequency control[J].IEEE Transactions on Power Systems，2006，21(1)：433-434.

[12]ZHONG Q C，WEISS G.Synchronverters：Inverters that mimic synchronous generators[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58(4)：1259-1267.

[13]呂志鵬，盛萬興，鐘慶昌，等.虛擬同步發(fā)電機(jī)及其在微電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014,34(16)：2591-2603.

LYU Zhipeng，SHENG Wanxing，ZHONG Qingchang，et al.Virtual synchronous generator and its applications in micro-grid[J].Proceedings of the CSEE，2014,34(16)：2591-2603.

[14]ZHOU H，BHATTACHARYA T，TRAN D，et al.Composite energy storage system involving battery and ultracapacitor with dynamic energy management in microgrid applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(3)：923-930.

[15]BEVRANI H，ISE T，MIURA Y.Virtual synchronous generators：A survey and new perspectives [J].International Journal of Electrical Power & Energy Systems，2014，54(1)：244-254.

[16]LIU J，MIURA Y，BEVRANI H，et al.Enhanced virtual synchronous generator control for parallel inverters in microgrids[J].IEEE Transactions on Smart Grid，2016(99)：1-10.

[17]Gao F，Iravani M R.A control strategy for a distributed generation unit in grid-connected and autonomous modes of operation[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2008，23(2)：850-859.

[18]GUERRERO J M， VASQUEZ J C，MATAS J，et al.Hierarchical control of droop-controlled DC and AC microgrids—a general approach towards standardization[C]//Conference of the IEEE Industrial Electronics Society.Porto，Portugal：IEEE，2009：158-172.

[19]LU X, SUN K, GUERRERO J M, et al.SOC-based droop method for distributed energy storage in DC microgrid applications[C]// IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE).IEEE, 2012:1640-1645.

[20]陸曉楠，孫凱，黃立培，等.孤島運(yùn)行交流微電網(wǎng)中分布式儲能系統(tǒng)改進(jìn)下垂控制方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37(1)：180-185.

LU Xiaonan，SUN Kai，HUANG Lipei，et al.Improved droop control method in distributed energy storage systems for autonomous operation of AC microgrid [J].Automation of Electric Power Systems，2013，37(1)：180-185.

[21]王煒信，段建東，張潤松，等.孤島電網(wǎng)中多儲能設(shè)備SOC一致性優(yōu)化策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30(23)：126-135.

WANG Weixin，DUAN Jiandong，ZHANG Runsong，et al.Optimal state-of-charge balancing control for paralleled battery energy storage devices in islanded microgrid[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(23)：126-135.

[22]潘文霞，全銳，王飛.基于雙饋風(fēng)電機(jī)組的變下垂系數(shù)控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2015,39(11)：126-131.

PAN Wenxia，QUAN Rui，WANG Fei.A variable droop control strategy for doubly-fed induction generagors[J].Automation of Electric Power Systems，2015,39(11)：126-131.

[23]MAHMOOD H，MICHAELSON D，JIANG J.A power management strategy for PV/battery hybrid systems in islanded microgrids[J].IEEE Journal of Emerging & Selected Topics in Power Electronics，2014，2(4)：870-882.

[24]LIU J，MIURA Y，ISE T.Comparison of dynamic characteristics between virtual synchronous generator and droop control in inverter-based distributed generators[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2016，31(5)：3600-3611.

[25]BARKLUND E，POGAKU N，PRODANOVIC M，et al.Energy management in autonomous microgrid using stability-constrained droop control of inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23(5)：2346-2352.

(編輯 蔣毅恒)

LIN Yan, ZHANG Jiancheng

(School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University,

Baoding 071003, Hebei Province, China)

The photovoltaic-energy storage unit, based on virtual synchronous generator (VSG) control, can be used to form island microgrid, and provide forceful support for the stable operation of microgrid.However, the imbalance between power consumption and generation in the cycle of running, will get the state of charge (SOC) of energy storage equipment beyond its safe operation region, due to the fluctuation and intermittent of distributed generator output.According to this issue, the method of adjusting droop coefficient according to SOC is introduced into the VSG control.Through analysis, it is found that it may be difficult to achieve the control target by changing the droop coefficient.During the regulating process, the system can even lose its stability.By introducing the concept of adaptive droop characteristic, further improvement of VSG control is made by translating the whole droop characteristic.The improved VSG control reduces the impact on system stability.The reasonable allocation of active power and the fast adjustment of SOC can be realized more effectively.Relevant theoretical analysis and proposed scheme are verified by the simulation system built with Matlab/Simulink simulation tool.

virtual synchronous generator; droop characteristic; photovoltaic microgrid; adaptive control; supercapacitor

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51177047)；河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(16214504D)

Project supported by National Natural Science Foundation of China(51177047)

TM 71

A

1000-7229(2016)09-0115-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.09.016

2016-06-18

林巖(1991)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楣夥l(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制技術(shù)；

張建成(1965)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾滦湍芰績Υ婕夹g(shù)、電能質(zhì)量控制技術(shù)和新能源發(fā)電控制技術(shù)。