李 旭， 丁 勇， 李 勇， 劉為群

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

虛擬同步發(fā)電機(jī)的相角控制方法

李 旭， 丁 勇， 李 勇， 劉為群

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)利用電力電子變換器模擬同步發(fā)電機(jī)的特性，使變流器具有同步發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻、一次調(diào)壓、阻尼及慣性等特性，增強(qiáng)了變流器對(duì)電網(wǎng)電壓及頻率的支撐作用，提高了電網(wǎng)接入的友好性。提出一種利用常規(guī)鎖相環(huán)校正虛擬同步發(fā)電機(jī)頻率和相位的方法，在啟動(dòng)并網(wǎng)及強(qiáng)擾動(dòng)過(guò)程中校正頻率和相位的不合理偏移，減小了上述工況下的振蕩及失控風(fēng)險(xiǎn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性。

虛擬同步發(fā)電機(jī)；VSG；相角控制；相位；頻率；預(yù)同步

傳統(tǒng)的并網(wǎng)變流器控制方式往往采用簡(jiǎn)單成熟的有功、無(wú)功解耦電流控制，該方法可以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的功率控制，但不具備慣性、阻尼等特性，且該控制方式不支持在離網(wǎng)模式下運(yùn)行。虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)技術(shù)利用電力電子變換器模擬同步發(fā)電機(jī)的特性，使變流器具有同步發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻、一次調(diào)壓、阻尼及慣性等特性，增強(qiáng)了變流器對(duì)電網(wǎng)電壓及頻率的支撐作用，提高了電網(wǎng)接入的友好性，逐漸成為研究熱點(diǎn)[1-4]。

虛擬同步發(fā)電機(jī)的相位和角頻率通過(guò)發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程得到[5，6]。但并網(wǎng)啟動(dòng)時(shí)，由于并網(wǎng)解鎖時(shí)刻之前虛擬同機(jī)發(fā)電機(jī)無(wú)法通過(guò)搖擺方程與電網(wǎng)同步，直接并網(wǎng)時(shí)會(huì)因?yàn)榕c電網(wǎng)間的相位差造成的嚴(yán)重電流沖擊；同時(shí)，虛擬同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)受到較大的擾動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)頻率和相位偏離嚴(yán)重的情況，造成系統(tǒng)失去控制。

本文提出通過(guò)相角調(diào)節(jié)器，利用常規(guī)鎖相環(huán)(PLL)對(duì)虛擬同步發(fā)電機(jī)的相位及角頻率進(jìn)行預(yù)同步和在線(xiàn)校正，以減少并網(wǎng)沖擊實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，并提高系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力。

1 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)

1.1 并網(wǎng)變流器的電路結(jié)構(gòu)

圖1所示為最常見(jiàn)的三相并網(wǎng)變流器電路，直流側(cè)Edc可以為恒壓源或儲(chǔ)能電池等；Cdc為直流支撐電容；uia,uib,uic為經(jīng)PWM生成的電壓；L和C分別為交流濾波電抗器和電容；uoa,uob,uoc為經(jīng)濾波之后的變流器輸出端電壓；公共連接點(diǎn)(PCC)為變流器并網(wǎng)點(diǎn)；Lg為電網(wǎng)側(cè)的電感；uga,ugb,ugc為電網(wǎng)電壓。

圖1 并網(wǎng)變流器電路拓?fù)?/p>

1.2 虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)

根據(jù)需要分別對(duì)同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)壓、一次調(diào)頻、慣性等特性進(jìn)行模擬。假定線(xiàn)路為感性，容性無(wú)功為正無(wú)功，一次調(diào)壓、一次調(diào)頻通過(guò)下垂控制實(shí)現(xiàn)[7-9]，如圖2所示。

圖2 有功-頻率和無(wú)功-電壓下垂曲線(xiàn)

(1)

uref=ug+Dq(Qset-Qo)

(2)

同步發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)方程為：

Pm-Po=Jωdω /dt

(3)

將式(1)代入式(3)，得轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程(搖擺方程)為：

Pset+Dp(ωg-ω)-Po=Jωdω /dt

(4)

dθ /dt=ω

(5)

其中Pset為有功設(shè)定；Po為實(shí)際有功輸出;Pm為機(jī)械功率;Dp為頻率有功下垂系數(shù);Qset為無(wú)功設(shè)定;Qo為實(shí)際無(wú)功輸出;Dq為無(wú)功電壓下垂系數(shù);uref為輸出電壓參考值;ug為電網(wǎng)額定電壓;θ為電角度(相位);ω為電角速度;ωg為電網(wǎng)額定電角速度。

由式(4)可知，參數(shù)設(shè)定完成后，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程中只有ω為未知變量，從而可求得電角速度ω，進(jìn)一步對(duì)ω積分即可得到系統(tǒng)的相位θ。

在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，變流器輸出電壓參考值的d，q軸分量可表示為：

(6)

(7)

根據(jù)式(2)(4)(5)(6)(7)，將同步發(fā)電機(jī)的特性代入變流器控制中形成虛擬同步發(fā)電機(jī)的電壓控制目標(biāo)以及頻率和相位，如下圖3所示。

圖3 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制目標(biāo)生成

通過(guò)電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)[10]實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的控制，以增加系統(tǒng)的控制精度并限制過(guò)流，便可最終生成PWM的參考值，如圖4所示。

圖4 虛擬同步發(fā)電機(jī)電壓和電流控制

2 虛擬同步發(fā)電機(jī)的相位及角頻率控制

虛擬同步發(fā)電機(jī)的相位和角頻率控制統(tǒng)稱(chēng)為相角控制。通過(guò)上述虛擬同步發(fā)電機(jī)控制原理可知，相位和角頻率通過(guò)模擬發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程得到。但在并網(wǎng)啟動(dòng)瞬間或強(qiáng)擾動(dòng)工況下，可能出現(xiàn)控制系統(tǒng)的相位與電網(wǎng)相位的大幅偏離。

針對(duì)以上情況，本文在虛擬同步發(fā)電機(jī)的相角輸出中增加相角調(diào)節(jié)器，讓虛擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程和PLL算法在相角調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)同時(shí)工作，并互相校準(zhǔn)。通過(guò)鎖相環(huán)對(duì)變流器端口電壓進(jìn)行鎖相，并將其輸出的相位和頻率作為虛擬同步發(fā)電機(jī)的相位及角頻率的參考，在虛擬同步發(fā)電機(jī)的輸出相位和頻率發(fā)生較大偏離時(shí)，對(duì)其進(jìn)行校正。

相角調(diào)節(jié)器的原理構(gòu)成如圖5所示，該相角調(diào)節(jié)器的輸入為：PLL生成的相位θPLL和角頻率ωPLL、VSG搖擺方程生成的相位θVSG和角頻率ωVSG、啟動(dòng)觸發(fā)信號(hào)(GCST)和相位允許偏差Δθset。其中，GCST為變流器的PWM脈沖解鎖信號(hào)； Δθset為設(shè)定VSG和PLL輸出的的相位允許偏差的限值。

圖5 相角調(diào)節(jié)器控制原理

相角調(diào)節(jié)器的工作原理：虛擬同步發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)收到并網(wǎng)啟動(dòng)指令信號(hào)并解鎖PWM脈沖，此時(shí)觸發(fā)信號(hào)GCST置位為1，相角調(diào)節(jié)器自動(dòng)將PLL的θPLL(k)和ωPLL(k)作為本次運(yùn)算最終相位和角速度的輸出，讓VSG與電網(wǎng)同頻同相啟動(dòng)運(yùn)行。同時(shí)，輸出的θ(k)和ω(k)作為下一次VSG相位和角速度運(yùn)算的積分初始值。

(8)

(9)

虛擬同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)相位角θPLL(k)和θVSG(k)之間誤差大于允許偏差限值Δθset時(shí)，調(diào)節(jié)器自動(dòng)將θPLL(k)作為本次運(yùn)算最終相位的輸出，強(qiáng)制讓VSG與電網(wǎng)恢復(fù)同相運(yùn)行。同時(shí)，輸出的θ(k)作為下一次VSG相位運(yùn)算的積分初始值。

(10)

通過(guò)以上調(diào)節(jié)器,在并網(wǎng)啟動(dòng)瞬間，通過(guò)PLL對(duì)虛擬同步發(fā)電機(jī)的相角進(jìn)行預(yù)同步，以減少并網(wǎng)時(shí)相位偏差造成的電流沖擊；在并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，利用鎖相環(huán)對(duì)虛擬同步發(fā)電機(jī)的相角進(jìn)行校正，防止發(fā)生擾動(dòng)時(shí)虛擬同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間出現(xiàn)過(guò)大的相位偏差，避免控制失穩(wěn)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在500kW儲(chǔ)能雙向變流器上進(jìn)行了基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的相角控制方法測(cè)試。

變流器額定功率500kW，直流工作電壓范圍420～650V，交流額定電壓270V，額定電流1069A，額定頻率50Hz，電網(wǎng)流出為電流正方向。采用500kW/4h儲(chǔ)能電池作為直流電源，通過(guò)錄波器記錄測(cè)試波形。

設(shè)定Δθset=0.2rad，Pset=150kW，如圖6所示，無(wú)相角控制情況下變流器并網(wǎng)啟動(dòng)，并在600ms時(shí)刻強(qiáng)制同步相位的波形?？梢?jiàn)無(wú)相角同步控制情況下，直接啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流及功率波動(dòng)都很大；強(qiáng)制觸發(fā)相位同步以后系統(tǒng)逐漸收斂，恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 無(wú)相角控制變流器并網(wǎng)啟動(dòng)波形

如圖7所示，為同樣參數(shù)下加入本文所提的相角控制時(shí)，變流器并網(wǎng)啟動(dòng)的波形。可見(jiàn)有相角同步控制時(shí)，系統(tǒng)的啟動(dòng)沖擊電流及功率波動(dòng)明顯減小，系統(tǒng)快速進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

圖7 有相角控制變流器并網(wǎng)啟動(dòng)波形

為驗(yàn)證VSG在擾動(dòng)工況下的控制穩(wěn)定性，在上述變流器上進(jìn)行了非計(jì)劃性并網(wǎng)到離網(wǎng)切換試驗(yàn)。并網(wǎng)有功指令為150 kW，無(wú)功指令0 kVar，離網(wǎng)就地負(fù)載容量為14.2 kW，22.7 kVar。

圖8 切換瞬間電壓、電流、有功、無(wú)功變化

圖9 切換瞬間角頻率及電壓變化

由圖8、圖9可見(jiàn)，在非計(jì)劃性并網(wǎng)到離網(wǎng)切換過(guò)程中，切換平滑，電壓抖動(dòng)小。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)變流器與電網(wǎng)電角速度相同，為314.251 rad/s，電網(wǎng)頻率為50.01 Hz；切換到離網(wǎng)后，按頻率-有功下垂系數(shù)Dp=0.5，理論計(jì)算的離網(wǎng)運(yùn)行電角速度為314.702 rad/s，實(shí)際系統(tǒng)中變流器在此工況下的電角速度為314.703 rad/s，與理論計(jì)算一致；按電壓-無(wú)功下垂系數(shù)Dq=0.3，理論計(jì)算的離網(wǎng)運(yùn)行電壓標(biāo)幺值為0.986 p.u.，實(shí)際系統(tǒng)中變流器在此工況下的輸出端電壓標(biāo)幺值為0.986 p.u.，與理論計(jì)算一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

虛擬同步發(fā)電機(jī)控制算法通過(guò)搖擺方程生成逆變器運(yùn)行的頻率和相位，將常規(guī)鎖相環(huán)的輸出作為虛擬同步發(fā)電機(jī)的相位及角頻率參考，通過(guò)相位調(diào)節(jié)器對(duì)虛擬同步機(jī)的頻率和相位進(jìn)行同步和校正，避免了啟動(dòng)并網(wǎng)及強(qiáng)擾動(dòng)時(shí)虛擬同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間出現(xiàn)過(guò)大的頻率和相位偏差，從而減小了對(duì)變流器及電網(wǎng)的沖擊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了算法的有效性。

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李 旭

李 旭(1986 —)，男，江蘇徐州人，工程師，從事新能源發(fā)電應(yīng)用與控制工作。

丁 勇(1981 —)，男，江蘇南通人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償及新能源發(fā)電工作。

李 勇(1981 —)，男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，從事新能源發(fā)電應(yīng)用與控制工作。

劉為群(1966 —)，男，安徽滁州人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，從事電力電子功率變換技術(shù)及應(yīng)用工作。

Phase angle control method of Virtual Synchronous Generator

LI Xu, DING Yong, LI Yong, LIU Weiqun

(Nanjing Nari-Relays Electric Co. Ltd., Nanjing 211102, China)

Virtual synchronous generator (VSG) technology simulates the characteristics of the synchronous generator by power conversion system (PCS). Thus, the converter will have the characteristics of the synchronous generator such as primary frequency regulation, primary voltage regulation, damping and inertia. So the voltage and frequency regulation ability of converter for power grid will be enhanced. It can also help to improve the friendliness of grid-connection. In this paper, a new rectification method for phase angle and frequency of VSG based on phase locked loop (PLL) is proposed. The unreasonable deviation of frequency and phase is corrected in the process of starting grid connection and in the condition of strong disturbance, to reduce the oscillation and out-of-control risk under the above conditions. Finally, some experimental tests are given for correctness verification of the proposed method.

virtual synchronous generator; VSG; phase control; phase; frequency; pre-synchronizations

2016-10-20；

2016-11-22

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2015AA050101)

TM46

A

2096-3203(2017)01-0043-04