翟登輝，王鵬，辛軍，任志航，楊東海

(1.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000； 2.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院， 鄭州 454000； 3.國網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司， 鄭州 450000)

0 引 言

分布式發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)開始大規(guī)模的接入電網(wǎng)，其能量滲透率也在不斷增加。然而，分布式發(fā)電系統(tǒng)中采用的大量并網(wǎng)變流器存在響應(yīng)速度快、無慣性和低阻抗問題，其常用控制策略(PQ控制、V/f控制、Droop下垂控制)都無法解決變流器的慣性缺乏問題，進而難以參與電網(wǎng)電壓、頻率調(diào)整，這些都給配電網(wǎng)和微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因傳統(tǒng)同步發(fā)電機具有高阻抗、大慣性[1]及自同步特性，虛擬同步發(fā)電機(Virtual Synchronous Generator，VSG)技術(shù)[2-9]成為近年來國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。VSG技術(shù)按照同步電機特性運行，除了具有傳統(tǒng)同步電機的下垂外特性以外，還具有慣性和阻尼物理特性，根據(jù)電網(wǎng)電壓和頻率的變化自動改變自身輸出的功率，避免擾動情況下電壓和頻率的快速變化及系統(tǒng)振蕩，進而實現(xiàn)變流器的新型“源-網(wǎng)”互動和“電網(wǎng)友好型”特征。

VSG技術(shù)一般包括虛擬調(diào)速器、虛擬勵磁控制器以及虛擬同步機本體特性三個部分，其中虛擬調(diào)速器和虛擬勵磁控制器[10]是模擬同步電機的下垂外特性，虛擬同步電機本體特性就是模擬其慣性和阻尼特性。從以下兩個方面就VSG技術(shù)進行研究分析：

(1)在并離網(wǎng)切換方面，具備VSG特征的并網(wǎng)變流器在并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)時，因其電壓源外特性而維持電壓和頻率正常，則無需轉(zhuǎn)換控制模式就自動實現(xiàn)了無縫切換；在離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)時，因兩側(cè)電壓幅值和相位一般存在偏差，則直接并網(wǎng)會出現(xiàn)較大的電流沖擊，惡化電能質(zhì)量，甚至導(dǎo)致離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)失敗。文獻[11]將變流橋側(cè)輸出電壓與電網(wǎng)電壓進行同步，并未考慮LC濾波器影響，進而導(dǎo)致橋側(cè)電壓和濾波后電壓相位存在偏差，尤其在帶有本地負載時偏差更大，以致于無法實現(xiàn)同步。文獻[12]采用基于虛擬功率和電壓頻率二次控制的預(yù)同步單元，可實現(xiàn)帶載離/并網(wǎng)切換，具體是基于虛擬阻抗理念對變流器的虛擬輸出功率進行閉環(huán)控制為零，進而實現(xiàn)預(yù)同步并網(wǎng)，但是該方法采用的是PI控制器，對PI控制器參數(shù)的準確設(shè)計相對困難，并且也很難保證虛擬功率完全為零。文獻[13]通過調(diào)節(jié)微電網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓的旋轉(zhuǎn)速度，控制電壓的d軸分量為零和q軸分量為設(shè)定值，進而實現(xiàn)同步，但是當電壓差小于30 V時就認為已同步，此壓差會導(dǎo)致并網(wǎng)瞬間沖擊電流較大，并且基于單鎖相環(huán)思想實現(xiàn)預(yù)同步控制，但沒有考慮LC濾波器的影響。

(2)在主動孤島判別方面，常規(guī)變流器通常采用直接電流控制或功率控制(即PQ控制)進行并網(wǎng)發(fā)電，其主動孤島判別[14-18]一般采用移頻、功率擾動、注入諧波等方法，而具備VSG特征的并網(wǎng)變流器在電網(wǎng)斷開后，由于其仍保持電壓源外特性，電壓和頻率都保持穩(wěn)定，以往的移頻或功率擾動等方法因不能打破電壓或頻率的平衡而失效，目前對其研究的相關(guān)文獻甚少，因此需要尋找一種適合具備VSG特征并網(wǎng)變流器的新型主動孤島判別方法。

針對具備VSG特征的并網(wǎng)變流器，在離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)時，采用一種基于逐步追蹤思想的預(yù)同步并網(wǎng)方法[19]對變流器輸出側(cè)電壓相位和幅值分別調(diào)節(jié)，當變流器側(cè)與電網(wǎng)側(cè)電壓的幅值差和相位差在很小范圍內(nèi)時，將電網(wǎng)側(cè)電壓幅值和相位作為變流器側(cè)的給定參考值，以保證兩側(cè)系統(tǒng)幅值和相位始終一致，減小并網(wǎng)合閘的瞬時電流沖擊；此外，當發(fā)生計劃性或非計劃性孤島時，提出一種電網(wǎng)電壓自擾動的孤島判別方法，即對電網(wǎng)側(cè)電壓幅值以微小步長進行負方向擾動。通過MATLAB仿真分析，驗證了所提方法的有效性和可行性。

1 VSG數(shù)學(xué)模型

1.1 變流器主電路與同步電機模型對比

圖1 變流器與同步電機的等效關(guān)系

(1)電氣方程。

變流器的電氣方程為：

(1)

而傳統(tǒng)同步電機的電磁方程為：

(2)

由式(1)和式(2)可知，變流器與傳統(tǒng)同步電機的定子電磁方程極為相似，為VSG技術(shù)的實現(xiàn)提供了可能性。

(2)機械運動方程。

同步發(fā)電機的機械運動方程為：

(3)

式中J為發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量，使系統(tǒng)在功率和頻率振蕩過程中具有了慣性，單位為kg·m2；D為阻尼系數(shù)，具有阻尼系統(tǒng)功率振蕩的能力，單位為N·m·s/rad；Tm、Te和Td分別為輸入機械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩；Pm和Pe分別為輸入機械功率和電磁功率；ω為同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子的角速度，ω0為額定角速度，單位為rad/s；θ為電角度，單位為rad。

變流器本身因采用IGBT等開關(guān)器件而不具備同步電機的機械特性，因此需要虛擬其慣性及阻尼特性，即虛擬同步發(fā)電機的機械運動方程。

1.2 VSG算法基本原理

傳統(tǒng)同步電機本體除了具有以上所述電氣和機械特性外，還具有外在的下垂特性，即其控制系統(tǒng)：調(diào)速系統(tǒng)和勵磁控制系統(tǒng)。因此，VSG算法應(yīng)包括虛擬調(diào)速器、虛擬勵磁控制器及虛擬慣性阻尼環(huán)節(jié)，其簡易控制框圖見圖2。

圖2 VSG算法控制框圖

(1)虛擬調(diào)速器。

根據(jù)虛擬發(fā)電機調(diào)速原理，引入虛擬調(diào)速器概念，也稱有功功率-頻率控制器，即P/f下垂控制器，調(diào)節(jié)框圖見圖2，具體方程如下：

Pm=P0+Kf(f0-f)

(4)

式中f0為額定頻率；f為實際系統(tǒng)頻率；Pm為虛擬機械功率；P0為給定有功功率；Kf是調(diào)頻系數(shù)。有功功率和頻率存在下垂關(guān)系，當電網(wǎng)頻率升高或降低時，通過虛擬調(diào)速器調(diào)節(jié)，會自動減小或增加輸送到電網(wǎng)的有功功率，進而參與電網(wǎng)調(diào)頻。

(2)虛擬勵磁控制器。

根據(jù)傳統(tǒng)同步發(fā)電機的勵磁原理，引入虛擬勵磁控制器概念，也稱無功功率-電壓控制器，即Q/U下垂控制器，調(diào)節(jié)框圖見圖2，具體方程如下：

E*=E0+KQ(Q0-QVSG)

(5)

式中E0為初始給定電壓；E*為經(jīng)VSG算法計算得到的參考電壓幅值；Q0為給定無功功率；QVSG為經(jīng)VSG算法計算得到的無功功率；KQ是調(diào)壓系數(shù)。無功功率與電壓存在下垂關(guān)系，當電網(wǎng)電壓升高或降低時，虛擬勵磁控制器會自動減少或增加輸出的無功功率，進而參與電網(wǎng)調(diào)壓。

2 預(yù)同步控制及主動孤島判別

具備VSG特征的并網(wǎng)變流器在進行離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)時，需要事先進行預(yù)同步并網(wǎng)控制以保證變流器側(cè)與電網(wǎng)側(cè)電壓完全同步，進而實現(xiàn)“零”沖擊合閘并網(wǎng)；此外，當發(fā)生計劃性或非計劃性孤島時，無論變流器需離網(wǎng)運行還是進行孤島保護停機，都需要判別出是否發(fā)生孤島。預(yù)同步及主動孤島判別算法的總體框圖見圖3，具體變量含義見表1。

圖3 預(yù)同步及主動孤島判別方法總體框圖

變量名含義uabc、ugabc變流器輸出側(cè)及電網(wǎng)側(cè)三相電壓E*、Udg變流器輸出側(cè)及電網(wǎng)側(cè)電壓幅值θ0、θg變流器輸出側(cè)及電網(wǎng)側(cè)電壓相位Urefout變流器輸出側(cè)參考電壓幅值 ξθ、ξu相位差及電壓差閾值stepTheta、stepU相位及電壓調(diào)節(jié)步長Umin電壓最低閾值sign1、sign2符號變量(取值1,-1或0)Δθ、ΔU兩側(cè)電壓的相位差和幅值差dθ、dU相位及電壓調(diào)節(jié)步長不斷累加值

3.1 離/并網(wǎng)預(yù)同步控制

以A相為例，變流器輸出側(cè)電壓ua和電網(wǎng)側(cè)電壓uga分別為：

ua=U0·sin(ω0t+θ0)

(6)

uga=U1·sin(ω1t+θ1)

(7)

式中U0、U1分別為兩側(cè)電壓幅值；ω0、ω1分別為兩側(cè)角頻率；θ0、θ1分別為兩側(cè)初相角。

兩側(cè)電壓瞬時差值[12]為：

Δu=ua-uga=

U0·sin(ω0t+θ0)-U1·sin(ω1t+θ1)

(8)

若要實現(xiàn)Δu=0，具體步驟是：

(1)通過控制U0大小，使其與電網(wǎng)側(cè)電壓幅值U1相等，即U0=U1=U。則電壓瞬時差值可簡化為：

(9)

因此，只要通過控制變流器側(cè)電壓的幅值和相位，使其與電網(wǎng)側(cè)電壓的幅值和相位分別相等，就能實現(xiàn)無沖擊預(yù)同步并網(wǎng)。文中基于逐步追蹤思想，變流器在接收離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)指令后，分別對變流器輸出側(cè)電壓的相位及幅值實時調(diào)節(jié)。具體步驟是：(1)經(jīng)VSG算法后得到變流器輸出側(cè)電壓相位θ0和參考幅值E*，電網(wǎng)經(jīng)SPLL鎖相得到電網(wǎng)側(cè)電壓相位θg和幅值Udg，按照式(10)進行處理得到Δθ、ΔU、Urefout和θ，其中dθ和dU的初值設(shè)定為0；(2)根據(jù)Δθ和ΔU大小，確定符號變量sign1和sign2的值，以清楚調(diào)節(jié)方向，并按照公式(11)對dθ和dU進行調(diào)節(jié)；(3)循環(huán)判斷Δθ和ΔU大小，若ΔU<ξu且Δθ<ξθ，認為同步過程結(jié)束。

(10)

(11)

3.2 主動孤島判別方法

變流器并網(wǎng)運行期間，當電網(wǎng)發(fā)生計劃性或非計劃性孤島時，則變流器需要進行孤島檢測，針對具備VSG特征變流器的電壓源外特性，采用一種電網(wǎng)電壓自擾動的主動孤島算法，具體擾動過程是依據(jù)公式(12)重復(fù)進行，其中step是擾動步長，Udg為電網(wǎng)側(cè)電壓幅值，Urefout為變流器側(cè)的參考電壓幅值，k為擾動次數(shù)。

Urefout(k)=Udg(k)-step

(12)

式(12)表明，將電網(wǎng)電壓幅值Udg減少step，即進行了一次擾動，并將擾動后的值作為變流器輸出側(cè)新的電壓參考幅值，該過程重復(fù)進行。具體原理是：

(1)若電網(wǎng)正常連接。

第1次擾動后：Urefout(1)=Udg(1)-step；

第2次擾動后：Urefout(2)=Udg(2)-step；

第k次擾動后：Urefout(k)=Udg(k)-step。

由于電網(wǎng)電壓Udg維持正常，則進行第k次擾動后Udg(k)=Udg，因此，Urefout(k)=Udg-step，表明變流器側(cè)電壓參考值Urefout(k)與電網(wǎng)電壓Udg的差值始終為step，因此Urefout(k)也維持正常，不會因持續(xù)擾動而逐步變小。

(2)若電網(wǎng)斷開。

第1次擾動后：

Urefout(1)=Udg(1)-step=Udg-step

第2次擾動后，由于失去電網(wǎng)支撐，則電網(wǎng)側(cè)電壓Udg(2)就等于變流器輸出側(cè)電壓參考值Urefout(1)，即Udg(2)=Urefout(1)。那么：

Urefout(2)=Urefout(1)-step=Udg-2step

第k次擾動后：

Urefout(k)=Urefout(k-1)-step

=Udg-k·step

(13)

式(13)表明，對Udg的持續(xù)擾動就會使得Urefout逐步減小，當Urefout小于一定閾值時，則認為發(fā)生了孤島，進而封鎖脈沖。

4 仿真驗證

4.1 接線圖及仿真參數(shù)數(shù)值選取

圖4中，K1是變流器內(nèi)部交流側(cè)繼電器，K2是并網(wǎng)開關(guān)，K3是負載開關(guān)。為驗證所提預(yù)同步以及主動孤島算法的效果，基于MATLAB/Simulink平臺，搭建了VSG變流器的單機帶載并網(wǎng)仿真模型，算法通過編寫S-function的C語言程序來實現(xiàn)。其中預(yù)同步以及主動孤島算法所涉及的主要仿真參數(shù)數(shù)值見表2。

圖4 變流器接入電網(wǎng)的接線示意圖

參數(shù)變量數(shù)值ξθ、ξuξθ=0.001,ξu=1stepTheta、stepUstepTheta=0.01stepU=0.5UminUmin=100JJ=2DD=10

4.2 仿真結(jié)果

圖5是兩側(cè)系統(tǒng)的A相電壓波形，首先變流器空載離網(wǎng)運行，K1斷開，K2閉合，K3斷開；其次在0.06 s時刻下發(fā)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)指令，執(zhí)行預(yù)同步算法，大概0.16 s時同步完成，并閉合K1，同時閉合K3投入負載，兩側(cè)電壓平滑切換，實現(xiàn)無沖擊并網(wǎng)。在0.16 s～0.4 s期間，變流器由離網(wǎng)切換至并網(wǎng)運行，此時開始調(diào)用主動孤島程序，由電壓波形可知，自擾動算法對系統(tǒng)運行基本無影響。最后在0.4 s時刻斷開K2，主動孤島擾動效果明顯，電壓很快下降，大概在0.47 s時刻封鎖脈沖，進行孤島保護。

圖5 基于預(yù)同步及主動孤島的兩側(cè)A相電壓

圖6和圖7分別是預(yù)同步過程中的兩側(cè)電壓的相位差和幅值差波形。經(jīng)過逐步追蹤算法的調(diào)節(jié)，相位差和幅值差漸近到0附近，進而實現(xiàn)相位和幅值的一致，完成同步過程。

圖8為網(wǎng)側(cè)三相電流波形，0～0.16 s變流器開始預(yù)同步過程，K1未閉合，此時三相并網(wǎng)電流為0，0.16 s時刻完成預(yù)同步并閉合K1，此時并網(wǎng)沖擊電流較小，對電網(wǎng)基本無影響，與基于預(yù)同步算法的并網(wǎng)無沖擊理論相吻合。圖9為VSG變流器輸出功率波形。

圖6 預(yù)同步過程的相位差

圖7 預(yù)同步過程的電壓幅值差

圖8 三相并網(wǎng)電流

圖9 變流器輸出功率PVSG波形

如圖9所示，0.2 s投入10 kW負載，0.3 s增加負載至20 kW，圖9表明VSG變流器實際輸出功率PVSG的動態(tài)響應(yīng)效果較好。0.4 s斷開并網(wǎng)開關(guān)K2，由于持續(xù)的主動孤島擾動，使得電壓逐步減小，因此，功率也逐步減小到0。

5 結(jié)束語

針對具備VSG特征的并網(wǎng)變流器，研究其離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的預(yù)同步以及主動孤島判別方法，并通過MATLAB仿真分析表明：

(1)基于逐步追蹤思想的預(yù)同步方法，實現(xiàn)了離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)時的“零”電流沖擊；

(2)基于電網(wǎng)電壓自擾動的主動孤島判別方法能快速準確檢測出是否處于孤島狀態(tài)，由于擾動步長微小，基本對系統(tǒng)的電能質(zhì)量及其穩(wěn)定性無不良影響。