楊旭紅, 薛 冰

(上海市電站自動化重點實驗室 上海電力學(xué)院自動化工程學(xué)院,上海 200090)

基于模糊控制的虛擬同步發(fā)電機并網(wǎng)策略研究*

楊旭紅, 薛 冰

(上海市電站自動化重點實驗室 上海電力學(xué)院自動化工程學(xué)院,上海 200090)

在基于虛擬同步發(fā)電機三相逆變器控制的基礎(chǔ)上，利用電容電壓和電流反饋，構(gòu)成雙環(huán)控制系統(tǒng)。其中，電流環(huán)和電壓環(huán)都采用比例積分控制。但是，傳統(tǒng)的雙環(huán)控制存在精度不高且響應(yīng)速度較慢等缺點，而模糊控制具有根據(jù)系統(tǒng)實時性產(chǎn)生的非線性系統(tǒng)誤差的大小，進行在線調(diào)節(jié)參數(shù)的功能。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于雙環(huán)控制和模糊PI相結(jié)合的虛擬同步電機控制策略，并搭建了相應(yīng)的模型。詳細分析了加入模糊之后雙環(huán)控制的參數(shù)整定，并通過仿真研究來證明所提方法的有效性。

虛擬同步發(fā)電機；三相逆變器；雙環(huán)控制；模糊控制；轉(zhuǎn)動慣量

0 引 言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，全球能源危機日益加強,同時，煤、石油等傳統(tǒng)能源對環(huán)境的污染日益加重，因此，對新能源分布式發(fā)電的合理應(yīng)用越來越受關(guān)注。由于大多數(shù)分布式能源發(fā)電都通過逆變器接入電網(wǎng)，所以逆變器控制技術(shù)的研究顯得尤為重要[1-4]。

隨著更多控制方法的研究與應(yīng)用，一些更為先進的控制策略被逐步應(yīng)用在系統(tǒng)中。其中，智能控制被越來越廣泛的應(yīng)用。

目前，在三相逆變器并網(wǎng)情況下，對并網(wǎng)電流的控制研究主要集中在并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)控制方面。其中，常見的電流控制主要包括PI控制、模糊控制、專家控制等。

虛擬同步發(fā)電機(Virtual Synchronous Generator，VSG) 技術(shù)[1-3]，是在以電力電子逆變器并網(wǎng)的分布式發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)上，借助配備相應(yīng)的儲能環(huán)節(jié)，并采用適當?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器控制算法，使基于并網(wǎng)逆變器的分布式電源從外特性上模擬或部分模擬出同步發(fā)電機的頻率及電壓控制特性，進而改善分布式系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

文獻[4]提出一種基于VSG的微電網(wǎng)，既能連接大電網(wǎng)運行,又能實現(xiàn)孤島運行時頻率的無差控制。文獻[5]在二階機電暫態(tài)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種功率-電壓-電流三環(huán)控制結(jié)構(gòu),并對三環(huán)控制系統(tǒng)進行一次調(diào)頻和二次調(diào)頻。文獻[6]在 VSG 模型基礎(chǔ)上，將大電網(wǎng)中的一次調(diào)頻、二次調(diào)頻等理論引入微電網(wǎng)中，分別給出了并網(wǎng)運行和孤島運行模式下微電網(wǎng)控制方法。

本文在VSG二階模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了電流-電壓雙環(huán)控制。其中，電壓外環(huán)通過PI控制，來提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)；電壓外環(huán)的輸出電流作為電流環(huán)的參考電流，電流環(huán)在比例積分控制的基礎(chǔ)上，通過加入模糊控制來提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。模糊控制是根據(jù)非線性系統(tǒng)的相應(yīng)誤差，進行在線參數(shù)調(diào)整，從而達到控制目的。為驗證該方法的正確性，對參數(shù)進行了詳細分析，并就轉(zhuǎn)動慣量對有功功率和無功功率的影響進行了分析，最后通過對控制系統(tǒng)的仿真試驗，驗證該方法的可行性。

1 VSG模型

在試驗過程中，同步發(fā)電機通常會被簡化為二階模型、三階模型或五階模型。因此，為減小同步發(fā)電機內(nèi)復(fù)雜的耦合關(guān)系，本文以二階模型為基礎(chǔ)，作為VSG的控制算法[5]。

R——定子電樞電阻；

X——同步電抗；

J——同步發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量；

ω——電氣角速度；

ω0——電網(wǎng)同步角速度；

Tm——同步發(fā)電機機械轉(zhuǎn)矩；

Te——同步發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩；

Td——同步發(fā)電機阻尼轉(zhuǎn)矩；

D——阻尼系數(shù)，取零。

三相逆變器在VSG算法下的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 VSG結(jié)構(gòu)框圖

圖1為典型并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，并網(wǎng)逆變器的輸出電感可等效為同步發(fā)電機的同步電感。有功調(diào)節(jié)是通過對VSG虛擬機械轉(zhuǎn)矩Tm調(diào)節(jié)進行的[7]，并且通過對調(diào)頻器的控制來實現(xiàn)對電網(wǎng)頻率偏差的影響；無功調(diào)節(jié)是通過對同步發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)進行的，可通過虛擬電勢來調(diào)節(jié)極端電壓和無功功率。

VSG輸出的有功功率P和無功功率Q可由式(2)計算[8]：

式中:R——等效阻抗；

X——電抗；

E——勵磁電壓；

U——定子端電壓；

從式(2)可以看出，有功功率和無功功率主要受等效阻抗、電抗、勵磁電壓等影響。也可以看出虛擬同步發(fā)電機的有功功率和無功功率變化不同于傳統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器。有功功率和無功功率的變化還與接入頻率的偏差有關(guān)。

2 雙環(huán)控制

從系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析，可以看出基于并網(wǎng)電流單環(huán)控制無法使系統(tǒng)穩(wěn)定運行[9],采用電感電流作為內(nèi)環(huán)電流反饋的控制對系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有明顯的改善。因此采用電容電流作為內(nèi)環(huán)反饋、電容電壓作為外環(huán)反饋的雙環(huán)控制，在選擇合適的內(nèi)外環(huán)控制器參數(shù)情況下完全能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。同時，為使逆變器有更好的抗干擾能力和較快的動態(tài)特性，采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制[10]。雙環(huán)控制框圖如圖2所示。

圖2 雙環(huán)控制框圖

從圖2中可以看出Kup+Kui/s為電壓環(huán)的PI控制，Kip+Kii/s為電流環(huán)的PI控制，Kpwm為逆變器等效放大系數(shù)，Kic為電流反饋，Kuc為電壓反饋。

在雙環(huán)控制中，為使輸出的電壓波形快速跟蹤并達到穩(wěn)定值，電壓外環(huán)采用比例積分控制。電壓環(huán)輸出的電流作為電流環(huán)的參考電流，電流內(nèi)環(huán)也采用比例積分控制，其中比例環(huán)節(jié)用來增加逆變器的阻尼系數(shù)，并提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性；積分環(huán)節(jié)降低電流環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差。這樣雙環(huán)控制下的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快、誤差小[11]。

電流內(nèi)環(huán)部分的傳遞函數(shù)為

電壓外環(huán)部分的傳遞函數(shù)為

雙環(huán)控制系統(tǒng)在進行參數(shù)設(shè)計時，需要考慮內(nèi)外環(huán)控制之間響應(yīng)速度、頻率以及其之間相互影響的問題。因此參數(shù)設(shè)計較復(fù)雜，需要大量的反復(fù)試驗。

3 模糊控制

采用雙環(huán)控制后，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性增強，但是響應(yīng)速度下降。因此，加入模糊控制，對參數(shù)進行實時調(diào)整，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能[12]，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

模糊控制不需建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，控制靈活適應(yīng)性強，而且是一種非線性控制，可以總結(jié)控制行為，把相關(guān)控制行為規(guī)律用模糊語言固化為模糊控制規(guī)則，從而進行控制的一種控制方式[13]。

模糊控制的原理圖如圖3所示。通過對電網(wǎng)電流的實時值與給定值相比較[14]，將所得到的誤差e與誤差的變化率ec送入模糊推理機，經(jīng)過模糊規(guī)則處理，得到ΔKp和ΔKi，然后將得到的ΔKp和ΔKi輸入到PI控制器中與設(shè)定的Kp0和Ki0進行模糊處理，然后輸出Kp和Ki。

圖3 模糊控制原理圖

根據(jù)誤差e和誤差率ec的模糊控制規(guī)則如表1所示[15]。

表1 模糊控制規(guī)則表

表1每格中都有兩個模糊規(guī)則，從左到右分別為Kp、Ki的模糊控制規(guī)則。

4 仿真分析

為驗證本文所提出控制方法的可行性，在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建了仿真模型。具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 系統(tǒng)參數(shù)

VSG的重要特性之一就是大慣性[16]，也就是轉(zhuǎn)動慣量大，所以分析轉(zhuǎn)動慣量對系統(tǒng)的影響很重要。當系統(tǒng)帶8 kW+2 kvar的阻感性負載運行并達到穩(wěn)態(tài)的過程，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)動慣量與功率相應(yīng)關(guān)系

由圖4可以看出，VSG的轉(zhuǎn)動慣量決定了其動態(tài)響應(yīng)的振蕩頻率。當轉(zhuǎn)動慣量取不同值時，輸出有功功率和無功功率達到穩(wěn)態(tài)的時間是不同的[17]。從圖4中可知，開始時，功率是高于額定功率，原因是一次調(diào)頻時，輸出功率未達到指令值，頻率升高；當J的取值越大，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量越大，輸出功率達到穩(wěn)定的速度越慢，而慣性越小，達到輸出穩(wěn)態(tài)的時間越短。

隨后進行仿真試驗， 如圖5所示。

圖5 電流響應(yīng)曲線

由圖5可以看出，在加入模糊之后的雙環(huán)控制系統(tǒng)中，電流達到穩(wěn)定的時間更快，跟蹤性能更好，而且響應(yīng)速度快。

5 結(jié) 語

隨著對VSG技術(shù)的深入研究，本文提出了一種基于模糊控制的VSG雙環(huán)控制模型。根據(jù)雙環(huán)控制對電流電壓進行調(diào)節(jié)，電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)均采用比例積分控制，其中，電壓環(huán)的輸出電流作為電流環(huán)的參考電流。為了更好地提高相應(yīng)速度，電流內(nèi)環(huán)在比例積分控制的基礎(chǔ)上加入模糊控制。通過仿真試驗可以看出，加入模糊控制之后的系統(tǒng)，響應(yīng)速度快，跟蹤性能好，抗非線性負載擾動能力強。通過理論分析和仿真分析，表明了該控制策略的可行性和正確性。

[1] 查亞兵,張濤,黃卓,等.能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析[J].中國科學(xué):信息科學(xué),2014,44(6): 702-713.

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

[3] ZHONG Q C, WEISS G. Static synchronous generators for distributed generation and renewable energy[C]∥ Power Systems Conference and Exposition, 2009 PSCE′09 IEEE/PES,15-18 March,2009: 1-6.

[4] 丁明,楊向真,蘇建徽.基于虛擬同步發(fā)電機思想的微電網(wǎng)逆變電源控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(8): 89-94.

[5] 李浩然,楊旭紅.基于虛擬同步發(fā)電機的離網(wǎng)型三相逆變器控制研究[J].電機與控制應(yīng)用,2015,42(12): 43-49.

[6] 朱丹,蘇建徽,吳蓓蓓.基于虛擬同步發(fā)電機的微電網(wǎng)控制方法研究[J].電氣自動化,2010,32(4): 59-62.

[7] 呂志鵬,盛萬星,鐘慶昌,等.虛擬同步發(fā)電機及其在微電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].中國電機工程學(xué)報,2014,34(16): 2591-2603.

[8] 吳恒,阮新波,楊東升,等.虛擬同步發(fā)電機功率環(huán)的建模與參數(shù)設(shè)計[J].中國電機工程學(xué)報,2015,35(24): 6508-6518.

[9] 劉飛,段善旭,查曉明.基于LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器雙環(huán)控制設(shè)計[J].中國電機工程學(xué)報,2009,29(S1): 234-240.

[10] 楊會敏,宋建成.基于雙環(huán)控制的單相電壓型PWM逆變器建模與仿真[J].電氣傳動自動化,2009,31(1): 15-18.

[11] 唐詩穎,彭力,康勇.脈寬調(diào)制逆變電源數(shù)字雙環(huán)控制技術(shù)研究[J].中國電機工程學(xué)報,2009,29(15): 55-60.

[12] 王述彥,師宇,馮忠緒.基于模糊PID控制器的控制方法研究[J].機械科學(xué)與技術(shù),2011,30(1): 166-172.

[13] 王錦,林小峰,宋紹劍.同步發(fā)電機的模糊控制設(shè)計[J].裝備制造技術(shù),2010(4): 73-75.

[14] 楊旭紅,王毅舟,王創(chuàng)典,等.基于重復(fù)控制和模糊PI控制的Z源逆變器并網(wǎng)研究[J].電機與控制應(yīng)用,2016,43(5): 22-27.

[15] 李浩然,楊旭紅,薛陽,等.基于模糊PI參數(shù)自整定和重復(fù)控制的三相逆變器并網(wǎng)研究[J].電機與控制應(yīng)用,2015,42(2): 31-36.

[16] 張興,朱德斌,徐海珍.分布式發(fā)電中的虛擬同步發(fā)電機技術(shù)[J].電源學(xué)報,2012(3): 1-6,12.

[17] 徐湘楚,朱凌,郭本峰.基于虛擬同步發(fā)電機的逆變電源控制策略研究[J].電測與儀表,2015,52(2): 80-84.

ResearchonGrid-ConnectedStrategyofVirtualSynchronousGeneratorBasedonFuzzyControl*

YANGXuhong,XUEBing

(Shanghai Key Laboratory of Power Station Automation Technology, Automatic Engineering ofShanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Based on the control of three-phase inverter based on virtual synchronous generator, the double loop control system was composed of capacitor voltage and current feedback. Among them, the current loop and voltage loop were proportional integral control. However, the traditional double loop control had such shortcomings as low precision and slow response speed, The whole fuzzy control system had the function of adjusting the parameters according to the nonlinear system error of the system. On the basis of this, a control strategy of virtual synchronous motor based on the combination of double loop control and fuzzy PI was proposed. A detailed analysis of the fuzzy parameters after loop control setting, effectiveness and the method was proved by simulation research.

virtualsynchronousgenerator;three-phaseinverter;doubleloopcontrol;fuzzycontrol;rotaryinertia

上海市電站自動化技術(shù)重點實驗室開放課題(13DZ2273800);上海市科技創(chuàng)新行動技術(shù)高新技術(shù)領(lǐng)域重點項目(14511101200);上海市重點科技攻關(guān)計劃(上海市科委地方院校能力建設(shè)項目)(14110500700);國家自然科學(xué)基金項目(61203224);上海自然科學(xué)基金項目(13ZR1417800)

楊旭紅(1969—)，女，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向為智能電網(wǎng)控制技術(shù)、新能源發(fā)電及儲能技術(shù)、火電和核電機組的仿真建模及控制技術(shù)。薛 冰(1993—)，女，碩士研究生，研究方向為微電網(wǎng)逆變器控制方向。

TM

A

1673-6540(2017)11- 0038- 04

2017 -02 -15