閆斌斌，葛 亮，王偉宏，王 曦，郜 磊

(國(guó)網(wǎng)山西省電力公司檢修分公司，太原 030000)

0 引 言

下垂控制根據(jù)電壓源逆變器輸出功率控制逆變器輸出參考電壓幅值與頻率。當(dāng)并列運(yùn)行的微源逆變器饋線阻抗和負(fù)載功率因數(shù)相同時(shí)，各微源可以相互獨(dú)立地通過(guò)下垂控制實(shí)現(xiàn)輸出功率自動(dòng)分配，實(shí)現(xiàn)熱插拔和熱冗余運(yùn)行，并且在并離網(wǎng)模式下通用。然而由于微源逆變器饋線阻抗的影響，傳統(tǒng)下垂控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)功率的精確分配和消除功率耦合問(wèn)題，從而影響微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

低壓微網(wǎng)中，通過(guò)微源逆變器功率傳輸后，由于隔離變壓器和阻性線路的影響，會(huì)使逆變器的傳輸阻抗中阻性分量增大到不可忽略，進(jìn)而需要加入較大虛擬電阻來(lái)補(bǔ)償逆變器傳輸阻抗中的阻性分量，從而降低并聯(lián)運(yùn)行的微源逆變器的穩(wěn)定性[1-4]。通過(guò)虛擬坐標(biāo)變換，把傳輸?shù)挠泄β屎蜔o(wú)功功率可以進(jìn)行解耦控制，當(dāng)并聯(lián)運(yùn)行的微源逆變器的饋線阻抗角相同時(shí)，通過(guò)下垂控制可以實(shí)現(xiàn)功率的精準(zhǔn)分配[5-6]。

與傳統(tǒng)下垂控制相比，基于虛擬同步發(fā)電機(jī)(Virtual Synchronous Generator，VSG)技術(shù)的逆變器控制策略通過(guò)將分布式電源與儲(chǔ)能系統(tǒng)等效模擬為同步發(fā)電機(jī)，有效解決系統(tǒng)欠阻尼、低慣性的問(wèn)題，從而極大地提高了微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7]。文獻(xiàn)[8]中提出的VSG技術(shù)采用有慣性的下垂控制，通過(guò)有功功率與無(wú)功功率解耦，分別設(shè)置有功下垂系數(shù)和無(wú)功下垂系數(shù)，但是均為對(duì)逆變器傳輸阻抗進(jìn)行補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)問(wèn)題。

為使VSG技術(shù)更廣泛地應(yīng)用于低壓微電網(wǎng)，提出一種改進(jìn)的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略。該策略在現(xiàn)有的VSG控制策略基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)逆變器輸出功率進(jìn)行虛擬坐標(biāo)變換，并在考慮饋線支路阻抗差異的基礎(chǔ)上，加入虛擬電阻補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了不同饋線阻抗下并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及各微源逆變器功率的精確分配和無(wú)環(huán)流輸出。

1 改進(jìn)的VSG等效模型

1.1 LC型的VSG并網(wǎng)系統(tǒng)

LC型的VSG并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路圖如圖1所示。

圖1中：e為VSG的內(nèi)電勢(shì)；Ug為電網(wǎng)公共交流母線電壓；L和C為VSG輸出濾波電容和電感；Lg和Rg為并網(wǎng)線路的饋線電感和電阻。

圖1 LC型的VSG并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路圖

1.2 改進(jìn)的LC型的VSG并網(wǎng)系統(tǒng)

改進(jìn)的VSG等效模型如圖2所示，將模型按同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理等效，圖中逆變器輸出電壓uioabc為改進(jìn)VSG的內(nèi)電勢(shì)，δi為內(nèi)電勢(shì)對(duì)應(yīng)的功角；LC濾波器、并網(wǎng)線路的饋線阻抗和隔離變壓器漏感的阻抗值中阻性分量為電樞電阻R，感性分量為同步電感L；upccabc為公共交流母線電壓，改進(jìn)的VSG的端電壓；uivabc為加入虛擬電阻Riv補(bǔ)償后改進(jìn)VSG的等效內(nèi)電勢(shì)。

圖2 改進(jìn)的VSG并聯(lián)到無(wú)窮大系統(tǒng)等效模型

該等效方式下，改進(jìn)的VSG技術(shù)的功率控制和電流電壓雙環(huán)控制可以獨(dú)立設(shè)計(jì)。VSG輸出功率Pi、Qi的功率環(huán)控制時(shí)，可以通過(guò)下垂技術(shù)調(diào)節(jié)VSG內(nèi)電勢(shì)uivabc的頻率和幅值，只需考慮饋線阻抗。設(shè)計(jì)電壓電流雙環(huán)時(shí)僅需考慮LC濾波的影響。

2 VSG控制策略

2.1 虛擬坐標(biāo)變換下垂控制

低壓微電網(wǎng)中，饋線阻抗中阻性分量較大，可以采用虛擬坐標(biāo)變換下垂控制[5]，有功功率和無(wú)功功率的解耦變換如式(1)和式(2)所示：

(1)

(2)

式中：αi(i=1，2)為逆變器i的饋線阻抗角;Pi、Qi為VSG輸出的有功功率和無(wú)功功率。

有功環(huán)和無(wú)功環(huán)下垂控制方程如式(3)所示：

(3)

式中：Dip、Diq分別為有功環(huán)下垂系數(shù)和無(wú)功環(huán)下垂系數(shù);ω和ωn為逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的輸出角頻率和額定角頻率;Uio、Un分別為輸出的實(shí)際電壓和額定電壓。

虛擬坐標(biāo)變換下垂控制可實(shí)現(xiàn)逆變器傳輸?shù)挠泄蜔o(wú)功功率的解耦控制。當(dāng)多臺(tái)微源逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，只有逆變器的饋線阻抗角相同且幅值與所連接逆變器容量成反比才能實(shí)現(xiàn)功率的精確分配和無(wú)環(huán)流輸出。

2.2 虛擬電阻控制

在多臺(tái)改進(jìn)的VSG并聯(lián)系統(tǒng)中，由于饋線中包含隔離變壓器和不同Upcc點(diǎn)接入負(fù)荷的差異導(dǎo)致饋線阻抗的阻抗角和幅值不同，為實(shí)現(xiàn)功率的精確分配則需要進(jìn)入虛擬電阻。虛擬電阻補(bǔ)償方法可以等效為在饋線中串聯(lián)了電阻，通過(guò)虛擬電阻來(lái)補(bǔ)償饋線阻抗的阻抗角，使得等效饋線阻抗具有相同的阻抗角。

等效饋線阻抗Zi(Zi=Ri+jXi)，其中Ri為阻性分量，Xi為感性分量，等效饋線阻抗角可以根據(jù)系統(tǒng)對(duì)有源阻尼的要求靈活設(shè)置。設(shè)定各臺(tái)改進(jìn)的VSG具有相同的等效饋線阻抗角αn，則需要串入的虛擬電阻阻值為

Riv=Xicotαn-Ri

(4)

由于實(shí)際系統(tǒng)中饋線阻抗可能會(huì)因負(fù)荷發(fā)生變化，串入虛擬電阻也得隨著饋線阻抗的變化實(shí)時(shí)調(diào)整?？梢酝ㄟ^(guò)通信采集的Upcc幅值和相位以及逆變器本地的電壓電流信息計(jì)算出饋線阻抗Zi。

饋線阻抗Zi具體可由方程式(5)～(7)求出：

(5)

(6)

(7)

式中:δi為Uio與Upcc的相位差。

式(6)、(7)所描述的饋線電壓相量如圖3所示。

圖3 饋線的電壓相量圖

實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)中，負(fù)載功率因數(shù)和負(fù)荷不是時(shí)刻變化，虛擬電阻動(dòng)態(tài)調(diào)整沒(méi)必要自適應(yīng)適時(shí)調(diào)整。采集Upcc幅值和相位的通信延時(shí)不影響Zi的準(zhǔn)確獲取電壓和功率的調(diào)節(jié)，也能克服虛擬電阻引起Upcc點(diǎn)電壓降低的問(wèn)題。計(jì)算出Zi后，再按式(6)計(jì)算出Upcc，然后再作為無(wú)功環(huán)的一次調(diào)壓標(biāo)準(zhǔn)電壓。所以提出的改進(jìn)VSG控制策略對(duì)通信的實(shí)時(shí)性要求不高。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 仿真結(jié)果與分析

基于Matlab/Simulink搭建包括2臺(tái)改進(jìn)的VSG和3個(gè)負(fù)載的仿真模型。3個(gè)負(fù)載(load1、load2、load3)的功率分別為：3 kW；6 kW；3 kW/3 kvar。為驗(yàn)證控制策略的有效性，饋線阻抗Z1、Z2分別設(shè)置為偏阻性、偏感性，仿真參數(shù)如表1所示。仿真設(shè)置為：初始時(shí)刻load1和load2投入運(yùn)行，0.2 s時(shí)刻load3投入，0.4 s時(shí)刻load2切出，0.6 s時(shí)刻load2再次切入，0.8 s時(shí)刻load3切出。仿真結(jié)果如圖4～6所示。

表1 微電網(wǎng)仿真參數(shù)Table 1 Microgrid simulation parameters

由圖4可知,在負(fù)載突增、突減和負(fù)載功率因數(shù)變化時(shí)，所提控制策略可以實(shí)現(xiàn)交流母線電壓的穩(wěn)定控制，電壓的動(dòng)態(tài)過(guò)程持續(xù)時(shí)間均為4個(gè)周波；在負(fù)載突增的動(dòng)態(tài)過(guò)程中(0.2 s和0.6 s處)，三相電壓有效值平滑過(guò)渡到新的穩(wěn)定值；在負(fù)載突減的動(dòng)態(tài)過(guò)程中(0.4 s和0.8 s處)，三相電壓有效值分別經(jīng)不同的波動(dòng)也過(guò)渡到新的穩(wěn)定值；在0.4 s處的電壓幅值波動(dòng)較大，但仍在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

圖4 三相交流母線電壓有效值Uapcc、Ubpcc、Ucpcc

由圖5可知，2臺(tái)改進(jìn)的VSG可以快速地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率的準(zhǔn)確鎖定，頻率突變的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程平滑，振蕩幅度較小，因而改進(jìn)的VSG可以有效地模擬同步發(fā)電機(jī)的慣性和阻尼特性。

圖5 2臺(tái)改進(jìn)VSG的輸出頻率和鎖相環(huán)檢測(cè)的微電網(wǎng)頻率

圖6為采用瞬時(shí)功率方法得到的2臺(tái)改進(jìn)VSG輸出的有功和無(wú)功功率，可知改進(jìn)VSG輸出功率的變化也具有一定慣性。此外，在VSG虛擬電阻補(bǔ)償控制下，并聯(lián)系統(tǒng)能夠很快到達(dá)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)且功率波動(dòng)很小，2臺(tái)改進(jìn)VSG的輸出功率能精確分配，并聯(lián)系統(tǒng)無(wú)基波環(huán)流。

圖6 2臺(tái)改進(jìn)VSG輸出的有功功率和無(wú)功功率

由圖4～6可得，在負(fù)載有功功率變化時(shí)(0.4 s和0.6 s處)，微電網(wǎng)的頻率和電壓幅值均會(huì)改變，這表明功率和電壓頻率、幅值的調(diào)節(jié)存在耦合，進(jìn)而表明控制策略中功率虛擬坐標(biāo)變換的必要性和有效性。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在容量為10 kVA的VSG實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。VSG功率階躍時(shí)Upcc點(diǎn)電壓和電流變化如圖7所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experimental parameter

圖7 VSG功率階躍時(shí)Upcc點(diǎn)電壓和電流變化

由圖7可知，VSG能夠快速響應(yīng)負(fù)載的突變，有功突變的動(dòng)態(tài)過(guò)程約為1個(gè)工頻周波，該控制策略可以滿足負(fù)荷突變時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)及其在低壓微電網(wǎng)微源逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，考慮饋線阻抗的影響，提出了改進(jìn)虛擬電阻補(bǔ)償?shù)腣SG控制策略，最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提控制策略的準(zhǔn)確性和有效性。所提的改進(jìn)VSG等效模型和控制策略具有以下特點(diǎn)：

1)該控制策略雖然需通信采集交流母線電壓的幅值和相位來(lái)計(jì)算饋線阻抗，進(jìn)而計(jì)算出實(shí)時(shí)的母線電壓幅值和改進(jìn)VSG的輸出功率作為微源逆變器本地的控制信號(hào)，但其對(duì)通信快速性要求不高，并且通過(guò)計(jì)算來(lái)獲取饋線阻抗避免了饋線阻抗測(cè)量困難的缺點(diǎn)，同時(shí)使得無(wú)功的精確分配易于實(shí)現(xiàn)。

2)該控制策略通過(guò)對(duì)改進(jìn)VSG的輸出功率進(jìn)行虛擬坐標(biāo)變換來(lái)實(shí)現(xiàn)功率的解耦；通過(guò)虛擬電阻補(bǔ)償使得等效饋線阻抗具有相同的阻抗角，并且等效饋線阻抗角可以根據(jù)系統(tǒng)對(duì)阻尼的要求靈活設(shè)置。這兩點(diǎn)改進(jìn)可以保證饋線阻抗差異下并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及各微源逆變器之間無(wú)環(huán)流輸出。