朱 軍，張 哲，杜少通，郭向偉，劉鵬輝，曲玉博，鄧寅曦

基于虛擬阻抗的并聯(lián)VSG改進控制研究*

朱 軍?，張 哲，杜少通，郭向偉，劉鵬輝，曲玉博，鄧寅曦

（河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454000）

低壓微電網(wǎng)在孤島并聯(lián)運行時，往往存在功率耦合以及線路阻抗差異等問題，傳統(tǒng)的虛擬同步發(fā)電機控制很難實現(xiàn)無功功率的精確分配且環(huán)流抑制能力較差。為了解決上述問題，本文首先設(shè)計了虛擬阻抗使系統(tǒng)等效輸出阻抗呈感性，實現(xiàn)了有功和無功的解耦。其次，提出一種改進無功?電壓環(huán)控制策略，在無功?電壓環(huán)中引入公共耦合點電壓反饋和積分環(huán)節(jié)，減小公共耦合點電壓波動并提高了無功分配精度?？紤]到引入虛擬阻抗雖能有效抑制環(huán)流，卻造成輸出電壓幅值降落的問題，通過在無功電壓環(huán)中增加虛擬阻抗壓降補償項，以抬高無功?電壓環(huán)輸出電壓幅值，抵消引入阻抗所產(chǎn)生的電壓降落。仿真實驗結(jié)果驗證了所提出控制策略的有效性和可行性。

虛擬同步發(fā)電機；無功均分；環(huán)流抑制；虛擬阻抗；電壓降落；壓降補償

0 引 言

近年來，為解決能源危機和緩解環(huán)境壓力，風電、光伏發(fā)電等分布式能源發(fā)電技術(shù)飛速發(fā)展。隨著分布式電源在電網(wǎng)比重越來越大，對電網(wǎng)經(jīng)濟性改善、運行方式的優(yōu)化等方面有著積極的作用[1-3]。與傳統(tǒng)同步發(fā)電機相比，分布式電源逆變器具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點，但是電力電子變換器不能為電網(wǎng)提供足夠的慣性和阻尼支持[4-6]。虛擬同步發(fā)電機（virtual synchronous generator, VSG）控制技術(shù)[7-9]應(yīng)運而生，實現(xiàn)了分布式逆變電源同步機化，使得逆變電源除了能為電網(wǎng)提供電能外，還能提供一定的慣性和功率支撐。

微電網(wǎng)中通常采用多臺VSG并聯(lián)運行的方式，以提高微電網(wǎng)的容量以及可靠性。但VSG并聯(lián)系統(tǒng)容易發(fā)生輸出功率分配不均的問題，不均勻的功率分配會引起系統(tǒng)環(huán)流的增大，對逆變器以及負載造成嚴重影響。為了實現(xiàn)并聯(lián)逆變器輸出功率的精確分配和系統(tǒng)環(huán)流的減小，并聯(lián)VSG控制策略利用有功功率與頻率、無功功率與電壓幅值之間的下垂關(guān)系，實現(xiàn)對功率的控制[10-11]。文獻[12]提出了改進的無功電壓環(huán)控制，在無功電壓環(huán)中加入補償環(huán)節(jié)，使無功分配不受線路阻抗的影響，但其虛擬阻抗環(huán)節(jié)采用固定取值，未解決逆變器輸出電壓幅值跌落等問題。文獻[13]在無功電壓環(huán)中引入了負載電壓反饋和積分環(huán)節(jié)，抑制了負載電壓波動的同時消除了無功和線路阻抗的耦合，但是未考慮不同容量逆變器并聯(lián)時功率的分配情況。文獻[14]提出基于坐標變換的虛擬復(fù)阻抗控制策略，利用虛擬復(fù)阻抗來平衡各并聯(lián)逆變器的系統(tǒng)等效輸出阻抗，實現(xiàn)無功功率的精確分配，降低了逆變器輸出電壓跌落，改善電能質(zhì)量，但其虛擬電阻和虛擬電感取值較難確定。文獻[15]針對傳統(tǒng)虛擬阻抗算法無法對線路阻抗進行調(diào)節(jié)的缺陷，設(shè)計了一種虛擬阻抗自適應(yīng)的算法，實時計算線路兩端的阻抗值，自動平衡線路之間的差異，更好地解決VSG并聯(lián)運行的功率均分問題，但其未考慮復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的潮流問題。文獻[16]引入虛擬感抗的自適應(yīng)環(huán)節(jié)，根據(jù)無功功率來調(diào)節(jié)其大小，從而實現(xiàn)了解耦和提高功率分配精度的目的，但是需要依賴通信系統(tǒng)。

本文基于虛擬同步發(fā)電機控制策略，研究兩臺VSG并聯(lián)下的功率傳輸特性，分析功率環(huán)流產(chǎn)生的原因，討論當線路阻抗呈感性時，系統(tǒng)功率環(huán)流與輸出電壓和線路阻抗之間的內(nèi)在關(guān)系，并提出相應(yīng)的改進型無功?電壓環(huán)控制策略。首先，針對系統(tǒng)存在的功率耦合和環(huán)流問題，通過在電壓電流環(huán)中引入虛擬阻抗使系統(tǒng)等效輸出阻抗呈感性，進而實現(xiàn)功率的去耦合，同時可有效降低系統(tǒng)環(huán)流。其次，在無功?電壓環(huán)中引入負載處電壓調(diào)壓反饋和積分環(huán)節(jié)，消除線路阻抗對無功功率分配的影響，并在無功環(huán)輸出電壓幅值基礎(chǔ)上添加虛擬阻抗壓降補償環(huán)節(jié)，補償由引入虛擬阻抗而引起的電壓降落。最后，搭建兩臺VSG并聯(lián)系統(tǒng)模型，并驗證所提出的改進控制策略的正確性和優(yōu)越性。

1 VSG基本原理

圖1為VSG的主電路拓撲結(jié)構(gòu)圖。主電路采用三相橋式拓撲結(jié)構(gòu)，逆變器采用LC濾波器濾除諧波，其中f、f為輸出濾波電感和濾波電容；line為線路阻抗；dc為直流電壓源；ref和ref分別為有功功率和無功功率指令值；e和e分別為VSG輸出有功功率和無功功率測量值；和m分別為有功環(huán)輸出電角度和無功環(huán)輸出電壓幅值；QF表示連接逆變電源與電網(wǎng)的斷路器。直流電壓經(jīng)過三相全橋逆變器及LC濾波器之后，利用功率計算模塊、VSG控制模塊及電壓電流雙閉環(huán)模塊產(chǎn)生對應(yīng)的電壓信號作為調(diào)制信號，產(chǎn)生的正弦波脈寬調(diào)制（sinusoidal pulse width modulation, SPWM）信號控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而使逆變器可以模擬同步發(fā)電機的運行特性。

圖1 VSG主電路拓撲結(jié)構(gòu)圖

1.1 有功?頻率控制

VSG控制模塊的有功控制部分控制框圖如圖2所示，其主要由調(diào)速器和轉(zhuǎn)子方程組成，慣性和阻尼系數(shù)可以通過轉(zhuǎn)子運動方程來引入，通過調(diào)速器模擬一次調(diào)頻特性。

圖2 有功?頻率控制框圖

由圖2可知將同步發(fā)電機慣性和阻尼環(huán)節(jié)引入分布式逆變電源控制策略中，可以得到VSG的轉(zhuǎn)子機械方程為：

式中：為轉(zhuǎn)動慣量；m為機械轉(zhuǎn)矩；e為電磁轉(zhuǎn)矩；為阻尼系數(shù)；m為機械有功功率；e為電磁有功功率；為電角度；為虛擬電氣角速度；n為額定角速度。

在系統(tǒng)負載有功功率變化，頻率出現(xiàn)偏差時，可以通過有功?頻率下垂控制來控制虛擬機械轉(zhuǎn)矩，從而調(diào)整有功功率輸出，使得系統(tǒng)重新達到能量平衡。VSG的調(diào)頻控制器根據(jù)虛擬電氣角速度和額定角速度n的差值，對虛擬轉(zhuǎn)矩做出相應(yīng)的調(diào)整，調(diào)頻控制器可表示為：

式中：ref為有功功率指令值；p為有功?頻率下垂系數(shù)。

將角速度與額定角速度n的差值送入阻尼環(huán)節(jié)，而阻尼系數(shù)和下垂系數(shù)p作用相同，可簡化為一個環(huán)節(jié)，用p=p/n來表示，既體現(xiàn)了一次調(diào)頻特性，使得系統(tǒng)發(fā)生頻率波動時減小系統(tǒng)功率的波動，又體現(xiàn)了功率阻尼特性，使得VSG具備阻尼功率振蕩的能力。綜上分析，VSG的功頻控制方程可表示為：

1.2 無功?電壓控制

在調(diào)壓控制方面，VSG控制主要基于無功?電壓下垂控制，使得逆變器具備一次調(diào)壓特性，其控制框圖如圖3所示。

圖3 無功?電壓控制框圖

根據(jù)圖3可以寫出其表達式為：

式中：m為VSG輸出電壓幅值；N為空載電壓幅值；q為無功?電壓下垂系數(shù)；ref為輸出無功功率指令值；e為實際輸出無功功率。

從上述的分析可知，VSG有功環(huán)的輸出作為逆變器調(diào)制波的頻率和相位，無功環(huán)的輸出作為逆變器調(diào)制波的幅值，則合成逆變器側(cè)abc三相參考電壓ref的表達式為：

2 并聯(lián)VSG特性分析

2.1 并聯(lián)VSG功率傳輸特性

以孤島模式下兩臺VSG并聯(lián)為例，分析虛擬同步機控制下系統(tǒng)的功率分配特性，其等效電路模型如圖4所示。其中，1和2分別為兩臺VSG輸出電壓；pcc為公共耦合點（point of common coupling, PCC）電壓；設(shè)PCC處的相位為01和2分別為VSG1和VSG2與PCC處的相角差；1和2分別為VSG1和VSG2的阻抗角。1=1+ j1和2=2+ j2分別為兩臺VSG的等效輸出阻抗（包括逆變器阻抗和線路阻抗）；0=0+ j0為負載阻抗。

圖4 并聯(lián)VSG等效電路模型

當各逆變器連接到公共交流母線時，其輸出有功和無功功率可以表示為：

式中：= 1, 2。

由式（6）可知，輸出有功功率和無功功率均與電壓的相角和幅值差有關(guān)，且受線路阻抗影響。對于不同電壓等級的線路，線路阻抗表現(xiàn)出不同的特性：高壓架空線路主要呈感性，低壓架空線路多為阻性。針對不同的線路阻抗模型，逆變器輸出功率特性也不同。主要表現(xiàn)在隨著線路阻抗角的取值不同，逆變器輸出有功與無功功率產(chǎn)生耦合的程度也不同。

由于傳統(tǒng)的下垂控制建立在等效線路阻抗呈感性的前提下，而低壓微電網(wǎng)的線路阻抗呈阻性，將造成功率嚴重耦合，因此首先采用虛擬感抗將等效線路阻抗設(shè)計成感性。由于單臺逆變器的輸出電壓與并聯(lián)母線上的電壓相位差別很小，可認為θ≈ 0，近似處理sinθ=θ，cosθ= 1。此時輸出有功功率和無功功率可表示為：

式中：= 1，2。

由圖2所示的有功頻率控制框圖可知，由于有功環(huán)中積分環(huán)節(jié)的存在，使得在穩(wěn)定狀態(tài)時，電磁功率e近似于機械功率m，由此可得（圖2中e和VSG有功功率測量值P是一致的）：

由式（8）可得，有功功率分配不受線路阻抗的影響，對于兩臺額定容量相等的VSG，只需滿足有功功率指令值及下垂系數(shù)相等，即可實現(xiàn)有功功率均分。

接下來，考慮無功功率的分配情況，將圖3所示的無功?電壓控制框圖與式（7）中無功功率表達式聯(lián)立可得無功?電壓閉環(huán)控制框圖，如圖5所示。

圖5 無功?電壓閉環(huán)控制框圖

據(jù)圖5可以得到VSG輸出無功功率表達式為：

分析式（9）可知無功?電壓下垂系數(shù)、無功功率指令值以及線路阻抗均會影響無功功率分配的精確性。在兩臺額定容量相等的VSG中，為實現(xiàn)功率精確分配，要求下垂系數(shù)、無功功率指令值及傳輸阻抗相等。然而在實際運行時，由于各逆變電源到公共耦合點的輸電距離有所不同，其線路阻抗存在差異，從而導(dǎo)致無法實現(xiàn)無功功率平均分配。

2.2 并聯(lián)VSG環(huán)流特性分析

根據(jù)圖4所示的兩臺逆變器并聯(lián)等效電路模型，可以得到穩(wěn)態(tài)環(huán)流向量的表達式為：

由式（10）可知，環(huán)流的大小不僅與每個逆變單元的線路阻抗有關(guān)，還與逆變器輸出電壓的大小有關(guān)。因此，要減小各逆變單元之間的環(huán)流，應(yīng)盡可能地減小它們之間的輸出阻抗及輸出電壓差異。

虛擬阻抗法是一種常用的提高無功功率分配精度并且減小無功環(huán)流的方法，可以通過調(diào)節(jié)兩個逆變器的等效線路阻抗相等且呈感性，來減小兩個逆變單元之間的線路阻抗差異，進而抑制環(huán)流。當兩個逆變單元線路阻抗呈感性且大小基本一致時，式（10）可以簡化為：

若兩臺逆變器輸出電壓的幅值相等，僅相位不一致，則主要存在有功環(huán)流，且環(huán)流的大小和相位差的大小是正比關(guān)系；若兩臺逆變器輸出電壓的相位一致，僅幅值不相等，則主要存在無功環(huán)流，且環(huán)流大小隨幅值差的增大而增大。由于有功回路中存在積分環(huán)節(jié)，兩逆變單元之間的相位差通常很小，故有功環(huán)流一般非常小。因此，并聯(lián)系統(tǒng)中的環(huán)流主要為無功分量，且主要由電壓誤差引起的，無功環(huán)流的表達式可近似表示為：

從式（12）可知，無功環(huán)流的大小與輸出電壓的幅值差呈正比，與線路感抗成反比，減小電壓誤差或增大線路電感均有利于抑制無功環(huán)流。

綜上，對于有功功率分配，由于有功環(huán)中存在積分環(huán)節(jié)，使得穩(wěn)態(tài)時有功功率大小僅與下垂系數(shù)p和有功功率指令值ref有關(guān)，通過對p和ref合理設(shè)計，即可實現(xiàn)有功功率的自主分配，有功功率分配魯棒性較強。而無功功率表達式表明線路阻抗對無功功率也會產(chǎn)生影響，即使通過配置合適的無功電壓下垂系數(shù)q和無功功率指令值ref也無法實現(xiàn)無功功率的準確分配，同時阻抗差異對無功環(huán)流的影響也不可忽略。針對上述問題，本文提出對無功?電壓下垂控制進行改進，消除線路阻抗對無功功率分配的影響，并設(shè)計了合適的虛擬阻抗來實現(xiàn)功率和阻抗的解耦，減小并聯(lián)VSG系統(tǒng)中的環(huán)流。

3 改進VSG控制策略

3.1 電壓電流雙閉環(huán)控制

低壓微電網(wǎng)中線路阻性部分含量較多，無法忽略，有功?頻率、無功?電壓的下垂控制并不適用于低電壓系統(tǒng)。因此需要在電壓電流雙閉環(huán)中引入虛擬阻抗來調(diào)節(jié)輸出阻抗呈感性，實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦，雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 電壓電流雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

圖6中，ref為電壓環(huán)輸入?yún)⒖茧妷?；pwm為SPMW調(diào)制環(huán)節(jié)增益；o、c、L分別為負載電流、電容電流和電感電流，o為輸出控制信號；令電壓環(huán)回路PI環(huán)節(jié)的比例積分增益分別為vp、vi，電流環(huán)回路的P環(huán)節(jié)增益為ip；表示微分算子。

由圖6可以推導(dǎo)出輸入輸出之間的傳遞函數(shù)為：

由圖6可知，o=ref()?o()o，o()為逆變器等效輸出阻抗，令ref= 0，可得：

由式（14）可知，逆變器等效輸出阻抗的性質(zhì)與系統(tǒng)控制器參數(shù)相關(guān)。為了直接使用下垂控制方法，需設(shè)計o()在工頻條件下呈感性，即相頻特性曲線上阻抗角在50 Hz左右為90o。

3.2 引入虛擬阻抗

虛擬阻抗法通過閉環(huán)控制，實現(xiàn)對逆變器等效阻抗性質(zhì)的校正。其控制原理如圖7所示。

圖7 虛擬阻抗法控制原理圖

由圖7可知，加入感性虛擬阻抗v()后輸入輸出之間的關(guān)系為：

其中：設(shè)計虛擬阻抗v() =v，聯(lián)立式（13）、式（14）、式（15）可得：

設(shè)計要求o()在工頻條件下呈感性，仿真參數(shù)設(shè)置如下：電源等效為dc= 800 V的直流源；LC濾波器參數(shù)為f= 5 mH，f200 μF；系統(tǒng)額定頻率為N= 50 Hz，載波頻率k= 10 kHz；調(diào)制環(huán)節(jié)增益pwm≈dc/2；引入的虛擬電感v= 1 mH。設(shè)計雙環(huán)控制器參數(shù)為：vp= 10，vi= 100，ip= 5。引入虛擬阻抗前后VSG等效輸出阻抗伯德圖如圖8所示。

圖8 引入虛擬阻抗前后等效輸出阻抗伯德圖

從圖8中可以看出，引入虛擬阻抗前，雖然在50 Hz處的逆變單元等效輸出阻抗近似呈感性，但是其幅值較小，容易受到線路阻抗的影響。引入虛擬阻抗后逆變器等效輸出阻抗在50 Hz處呈感性，且感性頻帶范圍廣，擴展至低頻段，保證了傳統(tǒng)下垂控制方法在低壓微電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。同時隨著虛擬阻抗的引入，其幅值也增大，這使得逆變單元受線路阻抗的影響減小，各單元的連接阻抗能夠更加穩(wěn)定地保持為感性性質(zhì)。虛擬阻抗法通常是將虛擬阻抗中的感抗設(shè)為較大的定值，使得系統(tǒng)的等效輸出阻抗（包括逆變器輸出阻抗和線路阻抗）較為接近且呈現(xiàn)純感性。由2.2節(jié)分析可知，無功環(huán)流的大小與等效線路感抗成反比，虛擬阻抗的引入可以起到抑制系統(tǒng)環(huán)流的作用，不過虛擬阻抗所造成的電壓降落問題依然不可忽略。針對抑制系統(tǒng)環(huán)流與電壓幅值降落之間的矛盾，3.3節(jié)將給出具體改進措施。

3.3 改進無功?電壓下垂控制策略

由3.1節(jié)分析可知，有功功率?頻率控制中存在積分環(huán)節(jié)，使得有功功率分配在穩(wěn)態(tài)時不受線路阻抗的影響，通過對轉(zhuǎn)動慣量、阻尼系數(shù)和有功下垂系數(shù)按照比例進行設(shè)置就能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率的精確分配。而在無功?電壓控制中，僅對無功功率和電壓根據(jù)下垂特性進行調(diào)節(jié)，線路阻抗對無功功率的影響未被消除，并且負載變化時會導(dǎo)致負載電壓波動，這嚴重影響了無功功率分配的精確度。為了增強系統(tǒng)的無功功率精確分配和魯棒性，將積分環(huán)節(jié)引入感性線路阻抗條件下的無功?電壓下垂策略，并引入公共耦合點電壓負反饋對負載電壓進行調(diào)節(jié)，抑制PCC處負載電壓波動，消除線路阻抗對無功功率分配的影響。針對引入虛擬組抗而造成的電壓幅值跌落問題，可通過在下垂控制模塊的電壓參考值中添加電壓補償項來抬高VSG輸出電壓幅值。即將計算得出的線路壓降cmp添加到空載電壓上，使逆變器輸出電壓升高，抵消虛擬阻抗產(chǎn)生的壓降，同時保持良好的環(huán)流抑制和無功功率精確分配能力。

圖9所示為改進之后的無功?電壓控制框圖。

圖9 改進無功?電壓控制框圖

Fig. 9 Improved reactive voltage control block diagram

改進之后逆變器的參考電壓幅值計算公式為：

式中：cmpi為虛擬阻抗補償壓降；Q為逆變器輸出無功功率；vi為引入的虛擬阻抗；Em為改進之后逆變器輸出的電壓幅值；u為電壓反饋系數(shù)。

加入積分環(huán)節(jié)后系統(tǒng)輸出無功功率不受線路阻抗影響，當系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，積分環(huán)節(jié)輸入為0，即：

由式（18）可知，在增加負載電壓負反饋及積分環(huán)節(jié)后，輸出電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，且無功功率與傳輸阻抗解耦。這時只需保證電壓反饋系數(shù)相等，無功功率指令值及下垂系數(shù)按照VSG的額定容量進行設(shè)計，就能實現(xiàn)無功功率的合理分配。

當兩臺容量相等的VSG并聯(lián)，且輸出無功功率可以實現(xiàn)均分，并設(shè)置兩臺VSG虛擬阻抗vi為相同值，此時兩臺VSG中虛擬阻抗補償壓降也相等，并不會因添加虛擬阻抗壓降補償而進一步擴大兩臺VSG輸出電壓的差值。

4 仿真驗證

為了驗證所提控制策略的優(yōu)越性和正確性，搭建兩臺額定容量相等的VSG雙機并聯(lián)系統(tǒng)模型，兩臺VSG參數(shù)設(shè)置均相同，如表1所示。

兩臺VSG輸出有功功率和無功功率指令值均為ref1=ref2= 4 kW，ref1=ref2= 0 kVar。兩臺VSG共同為負載提供功率，在0 ～ 0.5 s，兩臺VSG并聯(lián)帶有功負載load= 3 kW、無功負載load= 3 kVar，0.5 ～ 1 s之后增加1 kW有功負載和1 kVar無功負載。首先驗證改進無功?電壓環(huán)的無功功率均分效果，兩次實驗均設(shè)置虛擬阻抗v= 1 mH，實現(xiàn)有功和無功的去耦合，圖10和圖11分別為改進前和改進后兩臺VSG輸出功率情況。

表1 VSG仿真參數(shù)

圖10 改進前VSG控制策略：（a）兩臺VSG輸出有功功率；（b）兩臺VSG輸出無功功率

圖11 改進后VSG控制策略：（a）兩臺VSG輸出有功功率；（b）兩臺VSG輸出無功功率

由圖10a和圖10b可知，兩臺VSG在突加負載之前輸出有功功率穩(wěn)定在1.5 kW，在0.5 s時突加負載，兩臺VSG輸出有功功率穩(wěn)定在2 kW。而在突加負載前VSG1輸出無功功率為1.4 kVar，VSG2輸出無功功率為1.6 kVar；在0.5 s突加負載之后，VSG1輸出無功功率為1.9 kVar，VSG2輸出無功功率為2.1 kVar。表明了線路阻抗不同時有功功率不受線路阻抗的影響可實現(xiàn)均分，而無功功率則無法實現(xiàn)功率均分。由圖11a和圖12b可知，在突加負載前后兩臺VSG輸出有功功率和無功功率均一致，即0.5 s前輸出有功率均為1.5 kW，輸出無功功率均為1.5 kVar；0.5 ～ 1 s時輸出有功功率均為2 kW，輸出無功功率均為2 kVar?？梢姼倪M之后有功功率和無功功率均不受線路阻抗差異的影響，可以實現(xiàn)功率均分的目標。

為驗證本文所提控制策略可以很好地解決由引入虛擬阻抗而引起的電壓幅值降落問題，圖12a和圖12b分別為引入虛擬阻抗前后的系統(tǒng)環(huán)流；圖13a和圖13b分別為引入1 mH虛擬電感之后，添加虛擬阻抗補償前后兩臺VSG輸出電壓幅值。

圖12 引入虛擬阻抗前（a）、后（b）兩臺VSG并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流

圖13 補償前（a）、后（b）兩臺VSG輸出電壓幅值

由圖12a和圖12b可知，隨著虛擬阻抗的引入，環(huán)流也隨之減小，可見虛擬阻抗的引入具有良好的環(huán)流抑制作用。由圖13a和圖13b可知，添加虛擬阻抗壓降補償前兩臺VSG輸出電壓幅值為306 V，電壓跌落幅值為5 V，電壓偏移率為1.61%；添加虛擬阻抗壓降補償后兩臺VSG輸出電壓幅值可以穩(wěn)定在310 V，電壓偏移率僅為0.32%，比改進前降低了1.29%，電壓質(zhì)量明顯得到改善。

由以上仿真可以看出，本文所提控制策略可以不受線路阻抗差異的影響，實現(xiàn)有功和無功的均分，并解決了由虛擬阻抗引起的抑制環(huán)流和電壓幅值降落這一固有矛盾。

5 結(jié) 論

針對孤島模式下兩臺VSG并聯(lián)系統(tǒng)由于線路阻抗存在差異，而存在無功功率分配不均以及引入虛擬阻抗而產(chǎn)生的電壓降落問題，本文基于虛擬阻抗法，提出在無功?電壓環(huán)中引入電壓負反饋和積分環(huán)節(jié)，并在無功環(huán)輸出電壓幅值的基礎(chǔ)上添加虛擬阻抗補償環(huán)節(jié)，抬高無功環(huán)輸出電壓幅值，抵消虛擬阻抗引起的跌落電壓。

（1）在改進VSG無功電壓環(huán)之前，兩臺容量相等的VSG輸出無功功率不能按負載實現(xiàn)均分，即增加負載前后一直存在著0.2 kVar的差值。改進之后，兩臺VSG輸出無功功率根據(jù)負載可以實現(xiàn)均分，不存在無功功率差值，實現(xiàn)了無功均分。

（2）設(shè)計引入虛擬阻抗為1 mH，實現(xiàn)了有功和無功的解耦，并可以有效地降低系統(tǒng)無功環(huán)流，但VSG輸出電壓幅值卻有明顯跌落，電壓偏移率達到1.61%；在對無功環(huán)進行改進，即添加虛擬阻抗補償之后，VSG輸出電壓有明顯升高，此時電壓偏移率僅為0.32%，比改進前降低了1.29%，電壓質(zhì)量明顯提高，解決了環(huán)流抑制電壓降落的矛盾。

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Research on Improved Control of Parallel VSG Based on Virtual Impedance

ZHU Jun, ZHANG Zhe, DU Shao-tong, GUO Xiang-wei,LIU Peng-hui, QU Yu-bo, DENG Yin-xi

(School of Electrical Engineering and Information, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, Henan, China)

When low-voltage micro-grid runs in parallel with the island, there are often problems such as power coupling and line impedance difference. The traditional virtual synchronous generator control is very difficult to achieve the accurate allocation of reactive power, and the circulation inhibition ability is poor. In order to solve the above problems, the virtual impedance was designed to make the equivalent output impedance of the system perceptual and realize the decoupling of active and reactive power. Secondly, an improved reactive power voltage loop control strategy was proposed, in which the common point coupling point voltage feedback and integral link were introduced to reduce the voltage fluctuation of the common coupling point and improve the reactive power distribution accuracy. Although the introduction of virtual impedance can effectively suppress the circulating current, it causes the drop of output voltage amplitude. By adding a voltage drop compensation term of virtual impedance in the reactive power voltage loop, the output voltage amplitude of the reactive power voltage loop was increased to offset the voltage drop caused by the introduction of impedance. Simulation results verify the effectiveness and feasibility of the proposed control strategy.

virtual synchronous generator; power sharing; circulating current suppression; virtual impedance; voltage drop; voltage drop compensation

TK81；TM464

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2021.03.009

2095-560X（2021）03-0239-09

2021-01-23

2021-03-01

國家自然科學(xué)基金項目（U1504506）；河南省科技攻關(guān)項目（202102210093，212102210256）；河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計劃項目（2020GGJS055）；河南省高等學(xué)校重點科研項目（19A470001）；河南理工大學(xué)青年骨干教師培養(yǎng)計劃項目（2018XQG-08）

朱 軍，E-mail：zhujun@hpu.edu.cn

朱 軍（1984-），男，博士，副教授，主要從事新能源發(fā)電、特種電機驅(qū)動與控制研究。

張 哲（1995-），男，碩士研究生，主要方從事新能源發(fā)電研究。