郭亦宗，郭創(chuàng)新

基于虛擬同步發(fā)電機的微電網(wǎng)并離網(wǎng)安全控制策略

郭亦宗，郭創(chuàng)新*

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江省 杭州市 310027）

微電網(wǎng)作為綜合能源系統(tǒng)的一大分支，廣泛用于分布式電源的就地消納。而隨著冷、熱、氣等逐漸引入，對微電網(wǎng)安全控制的要求也越來越高。針對微電網(wǎng)的孤島和并網(wǎng)建模及兩運行狀態(tài)之間的過渡過程進行分析，提出了改進虛擬同步發(fā)電機(virtual synchronous generator，VSG)模型下的控制策略。通過引入合適的虛擬阻抗，有效模擬了同步電抗的特性，保證孤島運行基本穩(wěn)定的同時，使得并網(wǎng)至孤島的切換在該模型下不需要添加額外的控制部分即可完成平滑過渡；針對孤島至并網(wǎng)的切換，提出了改進型的預(yù)同步控制模型，該模型能快速準(zhǔn)確地跟蹤電網(wǎng)電壓幅值、頻率以及相位。最后，結(jié)合實際算例對所構(gòu)造的模型在Matlab/Simulink環(huán)境下進行仿真，驗證了所提模型的正確性及其優(yōu)勢。

微電網(wǎng)；無縫切換；虛擬同步發(fā)電機(VSG)；虛擬阻抗；改進預(yù)同步控制

0 引言

隨著我國經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展，能源效益和環(huán)境效益被越來越多地作為考量工程價值的標(biāo)準(zhǔn)，迫切需要優(yōu)良的可再生清潔能源作為替代和補充以滿足日益增長的電力需求。同時，實現(xiàn)多能互補是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。

我國的分布式電源相關(guān)研究不僅僅是技術(shù)課題，更是上升為國家戰(zhàn)略。馬麗梅等[1]構(gòu)建了有效的可計算的一般均衡(computable general equilibrium，CGE)模型算法，以研究中國的能源轉(zhuǎn)型規(guī)劃，結(jié)果表明：我國將經(jīng)過3個階段完成能源轉(zhuǎn)型，并在2035年進入能源轉(zhuǎn)型的成熟期?；诖耍瑖鴥?nèi)外許多學(xué)者針對如何更好地利用分布式電源展開了相關(guān)研究[2-8]。為更好地利用分布式電源的優(yōu)勢，解決其不穩(wěn)定、調(diào)度困難等問題，研究人員提出了一種新的實現(xiàn)形式——微電網(wǎng)，即在輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)的定義方式下，將電源、負荷、儲能以及控制裝置等模塊結(jié)合起來而組成的小型電網(wǎng)。微電網(wǎng)相當(dāng)于在大電網(wǎng)中獨立出來的一個小型網(wǎng)絡(luò)，能夠解決分布式電源不可調(diào)度的問題，既可作為一個獨立的單元孤島運行，也可以與大電網(wǎng)互聯(lián)，可控性和可靠性大大提高，能更好地整合資源[9]。

考慮因檢修等計劃性離網(wǎng)以及綜合能源下電網(wǎng)的故障概率提高，勢必會造成微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的公共連接點(point of common coupling，PCC)開合次數(shù)增加。因此，保證孤島和并網(wǎng)2種模式間的安全可靠切換、平滑過渡，制定出一套實用性、經(jīng)濟性好的微電網(wǎng)控制方案，具有巨大的經(jīng)濟和社會意義。

對于微電網(wǎng)并離網(wǎng)，目前國內(nèi)外較為成熟的研究依然是基于主從控制和對等控制2種模式。鄭競宏等[10]基于主從控制模式的切換方法，提出一種狀態(tài)跟隨控制器，減小了微電網(wǎng)并網(wǎng)及孤島2種運行模式切換過程中的暫態(tài)振蕩，但對于大負荷和多節(jié)點系統(tǒng)依然存在沖擊電流和電壓的畸變問題。王武[11]提出了改進主電源恒壓頻比的控制模式，可以有效抑制電源控制模式切換時出現(xiàn)的電流畸變和電壓突降問題，但此切換策略占用大量處理器資源，經(jīng)濟性較差。文獻[12-13]提出采用下垂控制來實現(xiàn)孤島穩(wěn)定以及并網(wǎng)和離網(wǎng)過程的平滑切換，引入非線性下垂曲線來及時調(diào)整功率差額，但沒有考慮大量負荷頻繁投切以及綜合能源轉(zhuǎn)化的安全穩(wěn)定問題。岳同耿日等[14]提出采用主從控制與對等控制2種模式相結(jié)合的控制策略，雖然能夠?qū)?種模式的缺點進行改善，但正常運行時無法滿足“即插即用”的需求。文獻[15-19]提出了虛擬同步發(fā)電機(virtual synchronous generator，VSG)模型，該模型能夠在單一控制模式下實現(xiàn)并離網(wǎng)運行和切換，但存在抵御負荷變動能力較差、預(yù)同步并網(wǎng)時間較長等問題。

基于上述研究現(xiàn)狀，針對微電網(wǎng)并離網(wǎng)存在的問題，本文提出了一種改進虛擬同步發(fā)電機模型，并在預(yù)同步控制部分改變控制對象進而提高預(yù)同步效率的安全控制策略。

1 改進虛擬同步發(fā)電機控制模型

1.1 虛擬同步發(fā)電機原理

在微電網(wǎng)并離網(wǎng)控制過程中，控制對象實質(zhì)上是光伏、風(fēng)機、燃氣輪機等電源連接電網(wǎng)的逆變器。類比傳統(tǒng)電網(wǎng)的安全控制技術(shù)，電網(wǎng)的波動均是由同步發(fā)電機(synchronous generator，SG)的有功調(diào)頻器和勵磁調(diào)節(jié)器進行控制，因此，若能在逆變器的控制中模仿同步發(fā)電機的特性，引入相應(yīng)參數(shù)實現(xiàn)大慣性、阻尼的要求，將會極大地提高系統(tǒng)切換過程的穩(wěn)定性。虛擬同步發(fā)電機與同步發(fā)電機的并網(wǎng)對比如圖1所示。

圖1 虛擬同步發(fā)電機與同步發(fā)電機的并網(wǎng)對比

可見，分布式電源或電熱氣耦合設(shè)備產(chǎn)生的電源相當(dāng)于傳統(tǒng)電網(wǎng)中的原動機；三相逆變橋在位置上與同步發(fā)電機相對應(yīng)；LRC濾波器雖然位置和元件相對應(yīng)，但是數(shù)值大小有較大差別。

綜上，在微電網(wǎng)并網(wǎng)和離網(wǎng)的過渡過程中，通過改進VSG的控制策略，使得逆變器不需要切換控制模式，而完全由VSG自動進行頻率和電壓的調(diào)整，實現(xiàn)與傳統(tǒng)大電網(wǎng)相似的調(diào)節(jié)能力，從而降低了切換過程中的暫態(tài)振蕩，解決了占用大量處理器資源的問題。

1.2 VSG本體控制模型

1.3 有功頻率和無功電壓控制器

根據(jù)同步發(fā)電機一次調(diào)頻與一次調(diào)壓特性曲線，考慮到虛擬同步發(fā)電機控制的逆變器區(qū)別于同步發(fā)電機，沒有調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器等機械裝置，也就不存在控制信號到機械裝置響應(yīng)的過渡時長及機電過程的延時，而完全由電信號對逆變器控制進行頻率和電壓的自主調(diào)節(jié)。因此，建立了頻率和電壓2個狀態(tài)量的下垂控制模型：

1.4 自適應(yīng)虛擬阻抗

引入VSG的最終目的是將逆變器側(cè)等效為能調(diào)節(jié)頻率和電壓的一端口。不僅要引入慣性和阻尼，還要將輸出端電壓、輸出電流的關(guān)系方程與同步發(fā)電機相似，則可認為外特性擬合了同步發(fā)電機。因此，VSG在輸出阻抗上需要有同步發(fā)電機同步電抗的性質(zhì)。同步電抗影響端電壓隨負荷的波動以及短路電流，在微電網(wǎng)中逆變器的輸出側(cè)為LRC濾波器，僅靠這一濾波電抗不足以模擬同步電抗，因此必須在逆變器的控制中引入虛擬阻抗的概念，使逆變器表現(xiàn)出同步電抗的特性。

目前，學(xué)術(shù)界對虛擬阻抗的研究主要有直接虛擬阻抗法和間接虛擬阻抗法2種控制算法[22]。然而，現(xiàn)有的研究中并沒有給出如何確定虛擬阻抗的大小[23]，并且對于不同的微電網(wǎng)類型無法自適應(yīng)調(diào)節(jié)虛擬阻抗的值。因此，本文提出了一種適用于虛擬同步發(fā)電機并離網(wǎng)的自適應(yīng)虛擬阻抗模型，將虛擬阻抗與電網(wǎng)頻率、支路電流聯(lián)合閉環(huán)控制，達到自適應(yīng)效果。其表達式為

2 并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島策略

本文主要研究非計劃性離網(wǎng)時的切換控制策略，相較于計劃性離網(wǎng)，非計劃性離網(wǎng)是不可控、未知的，尤其是當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障而必須切斷與微電網(wǎng)的連接時，調(diào)度部門無法立即做出反應(yīng)，只能由微電網(wǎng)內(nèi)部進行自然過渡。因此，非計劃性離網(wǎng)對微電網(wǎng)自我調(diào)整能力的要求較高。

在改進虛擬同步發(fā)電機控制策略模型下，當(dāng)PCC突然斷開時，VSG仍然保持著切換前的并網(wǎng)狀態(tài)，與電網(wǎng)側(cè)的電壓幅值、相位和頻率基本相同，因此不會造成很大的暫態(tài)沖擊電流，可以自然地實現(xiàn)從并網(wǎng)到孤島模式的切換。

但PCC斷開后無法滿足微網(wǎng)內(nèi)負荷需求與供能的瞬時功率平衡，常常引起頻率和電壓的暫態(tài)穩(wěn)定問題。此時可通過VSG及自適應(yīng)虛擬阻抗不斷修正逆變器輸出的有功和無功，使感應(yīng)電動勢和功角達到新的平衡點，再次滿足有功和無功的平衡。VSG算法可使電壓和頻率在短期內(nèi)只有微小的波動，滿足用戶電能質(zhì)量的要求。因此，在該控制策略下，不需要逆變器控制模式的切換，從根本上避免了切換過程的電壓、電流畸變以及占用大量處理器資源等問題。

3 孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)策略

本文作如下近似：孤島運行的電壓與電網(wǎng)電壓幅值相差不大，認為兩者相等。取a相進行分析，兩者的電壓表達式如下：

由式(6)可得兩電壓相量差：

圖2 PCC點電壓跟蹤電網(wǎng)電壓相量圖

4 實際算例仿真

4.1 仿真參數(shù)

按照上述模型的控制方法，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建仿真模型，并對其仿真效果進行驗證。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

4.2 孤島模式切負荷仿真

微電網(wǎng)在孤島運行時應(yīng)能夠抵御因負荷的波動而出現(xiàn)的功率不平衡。在Simulink中搭建切負荷仿真模型如圖3所示。

圖3 孤島切負荷仿真模型

在仿真模型設(shè)置中，Breaker元件一直保持Open狀態(tài)，即為孤島運行。設(shè)置仿真步長s= 5ms，算法為Ode45，開始時間為0s，截止時間為0.2s。孤島狀態(tài)下恒定負載，設(shè)置=10kW，=1kV×A，在切負荷的驗證中，設(shè)置切負荷時刻為0.1s，切有功負荷D=1kW。圖4—6為孤島切負荷頻率、電壓和電流的變化曲線。

由圖4—6可以看出，在孤島模式下切負荷頻率波動在±0.05Hz之內(nèi)，最終在0.1s附近穩(wěn)定在50Hz左右，電壓沒有明顯波動，電流在0.1s切負荷瞬間發(fā)生輕微波動并立即過渡到新的穩(wěn)態(tài)值，說明該模型在孤島狀態(tài)下能夠很好地抵御負荷干擾。

圖4 孤島切負荷頻率變化曲線

圖5 孤島切負荷電壓變化曲線

圖6 孤島切負荷電流變化曲線

4.3 并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島模式仿真

由于在本文的VSG控制中，并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島控制策略不需要額外的控制環(huán)節(jié)，因此直接利用原有孤島情況的仿真模型進行并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島驗證即可。圖7為并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島仿真模型。

圖7 并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島仿真模型

設(shè)置仿真時長為0.4s，斷路器開斷時刻為0.2s。圖8、9分別為并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島頻率和聯(lián)絡(luò)線電壓、電流在0.1~0.4s的變化曲線。由圖8、9可以看出，在從并網(wǎng)狀態(tài)切換至孤島狀態(tài)的過程中，頻率變化很小，在0.1s的時間內(nèi)平滑過渡到50Hz穩(wěn)定值，電壓、電流不出現(xiàn)跳變。

圖8 并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島頻率變化曲線

圖9 并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島聯(lián)絡(luò)線電壓、電流變化曲線

4.4 孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)模式仿真

在VSG模型下，若故障后恢復(fù)，孤島微電網(wǎng)需要重新并網(wǎng)，即發(fā)生孤島向并網(wǎng)切換時不需要切換控制方式，依舊保持VSG控制即可。然而，為了避免并網(wǎng)過程中不出現(xiàn)巨大的沖擊電流，使其平滑過渡，在發(fā)出合閘命令操作前需要進行預(yù)同步過程。在孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)的仿真中，加入了改進的預(yù)同步子系統(tǒng)和切換開關(guān)子系統(tǒng)，其仿真模型分別如圖10、11所示。

在本文模型下，主要根據(jù)U的變化來確定何時發(fā)出合閘信號。設(shè)定U的閾值為2，即控制U小于2，可認為此時PCC點電壓c與電網(wǎng)電壓g在工程誤差范圍內(nèi)實現(xiàn)同步。設(shè)定仿真時間為0.4s，在0.2s發(fā)出并網(wǎng)信號，開始預(yù)同步過程。圖12—14分別為孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)頻率，聯(lián)絡(luò)線電壓、電流，以及U變化曲線。

由圖14可以看出，U在0.2s時開始突變，預(yù)同步過程開始，但是由于模型中存在對U的閉環(huán)控制，最終使U小于2(閾值設(shè)為2)，達到同步的條件才可并網(wǎng)。

并網(wǎng)后PCC點頻率有所波動，但最終經(jīng)過約0.15s回到50Hz附近，且頻率波動范圍不超過±0.05Hz。PCC點的電流被很好地限制，沒有出現(xiàn)沖擊電流，最終完成平滑過渡。

圖10 改進預(yù)同步控制仿真模型

圖11 切換開關(guān)子系統(tǒng)仿真模型

圖12 孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)頻率變化曲線

圖13 孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線電壓、電流變化曲線

圖14 孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)Uq變化曲線

5 結(jié)論

所提出的改進虛擬同步發(fā)電機模型適用于孤島、并網(wǎng)運行，對負荷投切有較高的抵御能力。同時，對于微電網(wǎng)孤島和并網(wǎng)2種運行模式之間的轉(zhuǎn)換避免了對逆變器控制策略的切換，達到無縫切換的目的。

除此之外，所提出的改進虛擬阻抗以及改進預(yù)同步控制等模型，對于多種微電網(wǎng)情況有了更加統(tǒng)一的控制模式。通過仿真分析驗證了所提出模型的可行性和有效性，能夠為微電網(wǎng)及綜合能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制提供理論指導(dǎo)。

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Security Control Strategy of Micro-grid Between Grid-connected and Off-grid Based on Virtual Synchronous Generator

GUO Yizong, GUO Chuangxin*

(Electrical Engineering College, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)

As a major branch of integrated energy system, micro-grid is widely used in the local consumption of distributed generation. With the introduction of cold, heat and gas, the requirement of micro-grid security control is becoming higher and higher. The grid-connected and off-grid mode of micro-grid and the transition process between two operating states were analyzed, furthermore, a control strategy based on improved virtual synchronous generator (VSG) model was proposed. By using appropriate virtual impedance, the characteristics of synchronous reactance were effectively simulated, which ensured the stability of off-grid operation and makes the transition from grid-connected mode to off-grid mode smooth without adding additional control. An improved pre-synchronization control model was proposed for the switching from off-grid mode to grid-connected mode, which could accurately and quickly track the voltage amplitude, frequency and phase. Finally, the model was simulated in Matlab/Simulink environment with a practical example to verify the correctness and advantages of the proposed model.

micro-grid; seamless switch; virtual synchronous generator (VSG); virtual impedance; improved pre-synchronization control

10.12096/j.2096-4528.pgt.19151

TK 01; TM 727

國家自然科學(xué)基金項目(51877190)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51877190).

2020-09-10。

(責(zé)任編輯 尚彩娟)