丁一凡，季 亮，常 瀟，洪啟騰，李振坤，米 陽，郭佳龍

不對(duì)稱電壓跌落下虛擬同步機(jī)改進(jìn)低電壓穿越控制策略

丁一凡1，季 亮1，常 瀟2，洪啟騰3，李振坤1，米 陽1，郭佳龍1

(1.上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海 200090；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；3.英國思克萊德大學(xué)，英國 格拉斯哥 G11XQ)

虛擬同步機(jī)(Virtual Synchronous Generator, VSG)是提高以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效途徑。應(yīng)用于逆變型新能源(Inverter-Interfaced Renewable Generation, IIRG)并網(wǎng)的虛擬同步機(jī)在不對(duì)稱電壓跌落情況下可能喪失VSG特性，并因低壓穿越能力不足或電壓電流越限而導(dǎo)致切機(jī)，危害電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)此，提出了一種新型VSG控制策略。該方法在不對(duì)稱電壓跌落情況下，既能持續(xù)提供系統(tǒng)慣性和阻尼，又能提供主動(dòng)電壓支撐，有效提高VSG低壓穿越能力，并保證擾動(dòng)下的系統(tǒng)穩(wěn)定性。首先，分析了傳統(tǒng)VSG在不平衡電壓跌落情況下的響應(yīng)特性。然后，提出了一種基于平衡電流的改進(jìn)VSG控制結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)VSG單電流環(huán)控制改為雙電流環(huán)控制，維持VSG在電壓跌落條件下的慣性阻尼特性，并實(shí)現(xiàn)對(duì)正負(fù)序分量的精準(zhǔn)控制。接著，基于改進(jìn)的雙電流環(huán)控制拓?fù)洌谀孀兤靼踩\(yùn)行條件下，對(duì)正負(fù)序參考電流整定方法進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)VSG主動(dòng)電壓支撐和電流限幅。最后，基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，驗(yàn)證了所提控制策略在多種系統(tǒng)運(yùn)行條件下的響應(yīng)特性及有效性。

虛擬同步機(jī)；不對(duì)稱電壓跌落；電壓支撐能力；低電壓穿越；電流限幅

0 引言

隨著能源稀缺與全球變暖問題的日益嚴(yán)重，低碳發(fā)展逐漸成為世界各國的發(fā)展戰(zhàn)略。以光伏、風(fēng)電為代表的新能源發(fā)電將逐漸取代傳統(tǒng)火力發(fā)電，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)[1-3]。傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)由于轉(zhuǎn)子的存在，可以儲(chǔ)存能量為電網(wǎng)提供慣性和阻尼。而分布式發(fā)電單元大多都是通過逆變器并網(wǎng)的，此類逆變型新能源發(fā)電單元(IIRG)大多不具備同步發(fā)電機(jī)的慣性和阻尼，導(dǎo)致電力系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)備用容量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)減少，此時(shí)電力系統(tǒng)容易受到功率波動(dòng)和故障的影響造成系統(tǒng)失穩(wěn)[4]。因此，有學(xué)者提出了虛擬同步機(jī)控制策略，可以模擬同步發(fā)電機(jī)為系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、下垂特性以及阻尼特性。文獻(xiàn)[5-6]介紹了電壓控制型和電流控制型VSG的原理和實(shí)現(xiàn)方法。目前，VSG得到了廣泛的研究，主要針對(duì)其穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行，包括小信號(hào)分析[7-8]、并列運(yùn)行[9-10]以及慣性自適應(yīng)[11-13]等。

然而，實(shí)際配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)電壓跌落、三相不平衡等故障，故障下VSG控制策略輸出電能質(zhì)量明顯降低，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成IIRG切機(jī)甚至連鎖切機(jī)等事故，危害電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性[14-15]。并網(wǎng)準(zhǔn)則要求，新能源發(fā)電單元在電網(wǎng)電壓跌落期間需要具備低電壓穿越(Low Voltage Ride- through, LVRT)能力[16]。因此，研究故障下改進(jìn)VSG控制，提升其低壓穿越能力，從而保證故障下IIRG的安全運(yùn)行具有實(shí)際意義。

目前，針對(duì)故障下VSG的改進(jìn)控制研究相對(duì)較少，主要分為改進(jìn)逆變器本身控制和引入硬件設(shè)備來輔助低壓穿越兩個(gè)方面。

在對(duì)于逆變器本身改進(jìn)控制的研究中，一部分學(xué)者致力于研究模式切換算法，即在故障時(shí)由VSG控制切換到其他控制[17-18]。文獻(xiàn)[17]提出了一種基于平滑切換的虛擬同步發(fā)電機(jī)低電壓穿越控制策略，并詳細(xì)介紹了平滑切換算法。但是，該方案并沒有對(duì)切換過程進(jìn)行深入分析且故障下改變了VSG的電壓源外特性。文獻(xiàn)[18]通過對(duì)故障期間的電流進(jìn)行狀態(tài)跟隨，實(shí)現(xiàn)了VSG控制和傳統(tǒng)低電壓穿越控制的平滑切換。但是，該方案在故障期間對(duì)VSG控制進(jìn)行切換后，IIRG將不能夠繼續(xù)為電網(wǎng)提供慣量和阻尼以降低故障對(duì)系統(tǒng)的沖擊，喪失了VSG控制的特性。相比較切換控制策略的思路，還有一部分學(xué)者研究了針對(duì)于VSG控制本身的改進(jìn)方法[19-21]。文獻(xiàn)[19]將虛擬阻抗與相量限流相結(jié)合提出一種適用于直接電壓型VSG的限流方法。然而，該方法只適用于對(duì)稱故障，局限性比較強(qiáng)。文獻(xiàn)[20]提出了一種考慮不平衡電網(wǎng)電壓的VSG平衡電流控制方法，該方案實(shí)現(xiàn)了在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)有效控制VSG 輸出三相平衡電流，提出的改進(jìn)控制拓?fù)鋵?duì)后續(xù)研究具有重要意義。文獻(xiàn)[21]在文獻(xiàn)[20]的基礎(chǔ)上分別實(shí)現(xiàn)了有功功率恒定、無功功率恒定的控制目標(biāo)，給出了對(duì)應(yīng)的參考電流計(jì)算方法，但是該策略仍然無法實(shí)現(xiàn)同時(shí)輸出恒定有功、無功功率。

對(duì)于引入硬件設(shè)備來輔助VSG低壓穿越的研究，目前仍處于起步階段。現(xiàn)有研究主要引入的設(shè)備是超導(dǎo)故障限流器(Superconducting Fault Current Limiter, SFCL)。文獻(xiàn)[22]設(shè)計(jì)了在并網(wǎng)點(diǎn)裝設(shè)SFCL的VSG并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，仿真表明SFCL可以很好地限制VSG故障電流以及改善VSG的電壓分布，提升VSG電壓穿越能力。與研究改進(jìn)控制策略相比，使用附加硬件設(shè)備避免了對(duì)現(xiàn)有逆變器控制進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，安裝靈活度高，具備良好的發(fā)展前景。

上述研究主要是針對(duì)電壓控制型VSG提出的，故障下只能按照給定參考值輸出恒定功率，無法在故障下保留VSG特性，這主要是因?yàn)殡妷盒蚔SG外特性為電壓源，有功無功耦合，無法直接控制功率[23]導(dǎo)致的。而電流控制型VSG基于常規(guī)矢量控制技術(shù)附加了頻率調(diào)節(jié)控制，保留了電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)，控制電流指令即可精準(zhǔn)控制輸出功率[24]。目前，針對(duì)于電流型VSG的低壓穿越控制特別是不對(duì)稱故障下的研究較少。

對(duì)此，本文基于電流控制型VSG提出了一種電壓跌落下的改進(jìn)低壓穿越控制策略。首先，分析了VSG故障下的輸出特性；然后，提出了全新的改進(jìn)VSG控制結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱故障下正負(fù)序分量的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)；最后，提出了優(yōu)化后的參考電流整定方法，故障下保證VSG特性主動(dòng)支撐電網(wǎng)的同時(shí)電流電壓不越限。

1 VSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

圖1 VSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略

VSG控制策略主要由兩個(gè)功率控制環(huán)構(gòu)成，其中有功功率控制環(huán)模擬同步發(fā)電機(jī)的慣性和一次調(diào)頻特性，無功功率控制環(huán)模擬同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)壓特性[4-6]。電流控制型VSG的數(shù)學(xué)方程由電機(jī)控制方程推導(dǎo)而來，電機(jī)控制方程數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)所示[25]。

到此就得到了電流控制型VSG的數(shù)學(xué)模型。電網(wǎng)電壓和頻率的變化通過電壓幅值和電角速度的變化最終反映在VSG有功無功控制指令發(fā)生改變，進(jìn)而改變參考電流，通過電流內(nèi)環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的調(diào)節(jié)。這就是VSG模擬同步發(fā)電機(jī)的過程。

2 VSG故障特性分析

傳統(tǒng)VSG控制是基于電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行提出的，正常工況下可以主動(dòng)參與調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率與電壓，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。但是當(dāng)電網(wǎng)受到擾動(dòng)，電壓跌落時(shí)，傳統(tǒng)VSG控制將面臨輸出電流越限、控制系統(tǒng)失穩(wěn)等問題，故障期間無法發(fā)揮VSG特性主動(dòng)支撐電網(wǎng)。

1) 輸出電流越限

傳統(tǒng)VSG一般可以等效為電壓源，其并網(wǎng)等效模型如圖2所示。

圖2 VSG并網(wǎng)等效模型

圖3 VSG并網(wǎng)向量圖

正常情況下VSG輸出電流可以表示為

2) 控制系統(tǒng)失穩(wěn)

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱電壓跌落時(shí)，此時(shí)三相電壓幅值不相等，傳統(tǒng)VSG控制的幅值計(jì)算公式為

又因?yàn)殡娏鲀?nèi)環(huán)控制中的PI調(diào)節(jié)器無法對(duì)波動(dòng)的參考值進(jìn)行無差調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)失穩(wěn)，此時(shí)VSG輸出電流波形畸變，三相不對(duì)稱。

3 不對(duì)稱電壓跌落下VSG改進(jìn)控制策略

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱電壓跌落時(shí)，為繼續(xù)發(fā)揮VSG特性進(jìn)行主動(dòng)電壓支撐，持續(xù)為系統(tǒng)提供慣性和阻尼并保證合乎要求的電能質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)了全新的控制拓?fù)湟约半妷褐?、限流方法?/p>

3.1 基于平衡電流的改進(jìn)VSG控制拓?fù)?/h3>

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱電壓跌落時(shí)，電流中將出現(xiàn)負(fù)序分量，從而導(dǎo)致三相不平衡。為實(shí)現(xiàn)三相電流恢復(fù)平衡，本文引入經(jīng)典電流矢量控制中的平衡電流控制對(duì)VSG控制進(jìn)行了改進(jìn)，與經(jīng)典VSG控制對(duì)比，改進(jìn)控制在原電流環(huán)的基礎(chǔ)上，增加了負(fù)序電流環(huán)，通過對(duì)正負(fù)序參考指令的調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)正負(fù)序分量的精準(zhǔn)控制。

圖4 改進(jìn)VSG控制拓?fù)?/p>

此時(shí)VSG參考電流可表示為

3.2 控制目標(biāo)

1) 電壓支撐

為了故障下保留VSG特性主動(dòng)支撐電壓，控制策略需要保證其支撐后的相電壓幅值不越限。但是當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，VSG控制策略產(chǎn)生的無功功率增量無法直觀地體現(xiàn)其電壓支撐效果，無法驗(yàn)證支撐后電壓是否滿足電網(wǎng)安全運(yùn)行要求。因此，本文研究了功率增量與相電壓幅值的關(guān)系，對(duì)VSG參數(shù)設(shè)計(jì)加入了新的約束即保證任何電壓跌落下VSG主動(dòng)電壓支撐后相電壓幅值均不越限。

故障下逆變器的電壓支撐主要體現(xiàn)在對(duì)電網(wǎng)正序電壓的主動(dòng)支撐上，本文改進(jìn)VSG也針對(duì)正序電壓支撐進(jìn)行，故只需針對(duì)正序電壓進(jìn)行分析。

根據(jù)圖1所示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，在不?duì)稱電壓跌落時(shí)，電壓正負(fù)序分量可表示為

電壓不對(duì)稱時(shí)，PCC母線三相電壓幅值可表示為

其中：

將式(19)與式(14)聯(lián)立，可以得出最大化電壓支撐下對(duì)應(yīng)的無功參考電流。

2) 電流限幅

為保證控制策略在逆變器安全運(yùn)行的前提下，盡可能主動(dòng)支撐電網(wǎng)，本文控制策略需要維持VSG特性，并保證電流不越限。

根據(jù)式(11)，逆變器輸出各相電流可以表示為

其中：

由于需要實(shí)現(xiàn)輸出電流三相平衡的目標(biāo)，負(fù)序參考電流需要置零，即

將式(24)和式(25)代入式(21)，此時(shí)相電流幅值三相相等，可表示為

為在逆變器安全運(yùn)行前提下充分發(fā)揮VSG特性主動(dòng)支撐電網(wǎng)電壓，無功電流參考值整定為

4 仿真驗(yàn)證

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

總仿真時(shí)間設(shè)為0.4 s，當(dāng)= 0.1 s時(shí)電網(wǎng)側(cè)母線發(fā)生電壓跌落，= 0.3 s時(shí)切除故障。其中正常運(yùn)行時(shí)采用傳統(tǒng)VSG控制策略，故障期間(= 0.1～0.3 s)切換為本文改進(jìn)VSG控制策略。為驗(yàn)證控制策略在對(duì)稱以及不對(duì)稱故障下的控制效果，分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)算例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具體算例設(shè)置如表2所示。

表2 仿真算例設(shè)置

4.1 算例1：對(duì)稱電壓跌落

圖5 場景1下改進(jìn)VSG控制輸出特性

圖6展示了場景1下傳統(tǒng)VSG控制IIRG的輸出特性。在電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱電壓跌落下，傳統(tǒng)VSG控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的主動(dòng)電壓支撐，由于沒有限流措施，其在故障下保持原有功出力，輸出電流越限，達(dá)到了1.35 p.u.，如圖6(c)所示。

圖6 場景1下傳統(tǒng)VSG控制輸出特性

4.2 算例2：不對(duì)稱電壓跌落

圖7 場景2下改進(jìn)VSG控制輸出特性

圖8展示了場景2下傳統(tǒng)VSG控制IIRG的輸出特性。如圖8(a)和圖8(b)所示，當(dāng)電壓三相不對(duì)稱時(shí)，傳統(tǒng)VSG控制有功無功指令電流出現(xiàn)振蕩。此時(shí)VSG輸出功率不穩(wěn)定進(jìn)而導(dǎo)致PCC正負(fù)序電壓發(fā)生振蕩，如圖8(c)所示。由圖8(d)可知，和本文控制策略相比，傳統(tǒng)VSG輸出電流三相不平衡且嚴(yán)重越限，最大相電流的幅值達(dá)到了1.84 p.u.，危害逆變器安全運(yùn)行。

圖8 場景2下傳統(tǒng)VSG控制輸出特性

4.3 與其他VSG低壓穿越控制效果比較

與本文改進(jìn)控制策略相比，現(xiàn)有VSG低壓穿越控制大多無法在故障時(shí)發(fā)揮VSG特性支撐電網(wǎng)，只能維持恒定功率輸出。本節(jié)選取文獻(xiàn)[20]提出的考慮不平衡電網(wǎng)電壓的VSG平衡電流控制進(jìn)行對(duì)比。

圖9 本文控制與VSG平衡電流控制效果對(duì)比

由圖9(a)和圖9(b)可知，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱電壓跌落時(shí)，本文控制策略在故障期間發(fā)揮了VSG阻尼慣量特性，為電網(wǎng)注入了一定量的無功功率，主動(dòng)支撐電網(wǎng)電壓，故障時(shí)產(chǎn)生的無功功率增量達(dá)到了0.5 p.u.，而VSG平衡電流控制在電壓跌落情況下只能保持原有功率設(shè)定值輸出，輸出無功功率為0 p.u.，故障時(shí)失去了VSG特性，不能有效支撐電網(wǎng)。如圖9(c)和圖9(d)所示，本文控制策略中加入了限流算法，優(yōu)先保證電壓支撐能力，故障期間限制有功功率的輸出以保證逆變器安全運(yùn)行，而VSG平衡電流策略由于缺少相應(yīng)的限流策略，仍然保持正常運(yùn)行時(shí)功率指令輸出，電流嚴(yán)重越限，電流幅值達(dá)到了1.73 p.u.。由此可見，本文控制策略通過改進(jìn)控制結(jié)構(gòu)以及限流算法的加入，在電壓跌落情況下仍可以發(fā)揮VSG特性主動(dòng)支撐電網(wǎng)，較VSG平衡電流策略提升顯著。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)VSG控制策略在正常工況下可以實(shí)現(xiàn)IIRG對(duì)電網(wǎng)頻率、電壓的自主調(diào)節(jié)，模擬同步發(fā)電機(jī)的輸出特性，維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。但當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，其調(diào)節(jié)特性受到影響且低電壓穿越能力不足。針對(duì)以上問題，本文提出了一種改進(jìn)VSG控制策略，在故障下有效地改善了輸出電能質(zhì)量且可以保持VSG特性支撐電網(wǎng)。本文提出的改進(jìn)控制策略具有如下幾點(diǎn)特性：

1) 提出了改進(jìn)VSG控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不對(duì)稱電壓跌落下仍能保持VSG阻尼與慣性特性，有效支撐電網(wǎng)正序電壓。

2) 提出了新的電壓支撐方法，對(duì)VSG參數(shù)設(shè)計(jì)建立了新的約束，保證VSG在進(jìn)行電壓支撐時(shí)，相電壓均不越限。

3) 提出的改進(jìn)VSG控制策略，提高了VSG的低壓穿越能力，故障時(shí)可持續(xù)為系統(tǒng)提供慣性和阻尼，提升了VSG的并網(wǎng)適應(yīng)性。

[1] 米陽, 王鵬, 鄧錦, 等. 孤島交直流混合微電網(wǎng)群分層協(xié)調(diào)控制[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 48(20): 1-8.

MI Yang, WANG Peng, DENG Jin, et al. Hierarchical coordinated control of island AC/DC hybrid microgrids[J]. Power System Protection and Control, 2021, 48(20): 1-8.

[2] 張劍云, 李明節(jié). 新能源高滲透的電力系統(tǒng)頻率特性分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2020, 40(11): 3498-3507.

ZHANG Jianyun, LI Mingjie. Analysis of the frequency characteristic of the power systems highly penetrated by new energy generation[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(11): 3498-3507.

[3] 張興, 李明, 郭梓暄, 等. 新能源并網(wǎng)逆變器控制策略研究綜述與展望[J]. 全球能源互聯(lián)網(wǎng), 2021, 4(5): 506-515.

ZHANG Xing, LI Ming, GUO Zixuan, et al. Review and perspectives on control strategies for renewable energy grid-connected inverters[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2021, 4(5): 506-515.

[4] ZHONG Q. Power-electronics-enabled autonomous power systems: architecture and technical routes[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(7): 5907-5918.

[5] WANG Dongxu, WU Hongbin. Application of virtual synchronous generator technology in microgrid[C] // 2016 IEEE 8th International Power Electronics and Motion Control Conference (IPEMC-ECCE Asia), May 22-26, 2016, Hefei, China: 3142-3148.

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

[7] 劉輝, 高舜安, 孫大衛(wèi), 等. 光伏虛擬同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)小信號(hào)穩(wěn)定性分析[J]. 太陽能學(xué)報(bào), 2021, 42(2): 417-424.

LIU Hui, GAO Shun’an, SUN Dawei, et al. Small signal stability analysis of grid-connected photovoltaic virtual synchronous generators[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2021, 42(2): 417-424.

[8] WU H, RUAN X, YANG D, et al. Small-signal modeling and parameters design for virtual synchronous generators[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 63(7): 4292-4303.

[9] 袁健, 楊偉. 獨(dú)立微網(wǎng)中多虛擬同步機(jī)功率精確分配控制策略[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2019, 47(4): 35-42.

YUAN Jian, YANG Wei. Accurate power sharing control strategy of multiple virtual synchronous generators in independent micro-grid[J]. Power System Protection and Control, 2019, 47(4): 35-42.

[10] LIU J, MIURA Y, BEVRANI H, et al. Enhanced virtual synchronous generator control for parallel inverters in microgrids[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2017, 8(5): 2268-2277.

[11] ALIPOOR J, MIURA Y, ISE T. Stability assessment and optimization methods for microgrid with multiple VSG units[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2018, 9(2): 1462-1471.

[12] 程子霞, 于洋, 柴旭崢. 基于協(xié)同自適應(yīng)控制的光儲(chǔ)VSG運(yùn)行控制研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(24): 79-85.

CHENG Zixia, YU Yang, CHAI Xuzheng. Research on operation control of a photovoltaic system with storage VSG based on cooperative adaptive control[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(24): 79-85.

[13] 溫春雪, 陳丹, 胡長斌, 等. 微網(wǎng)逆變器的VSG轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)自適應(yīng)控制[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2018, 42(17): 120-126, 183.

WEN Chunxue, CHEN Dan, HU Changbin, et al. Self-adaptive control of rotational inertia and damping coefficient of VSG for converters in microgrid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2018, 42(17): 120-126, 183.

[14] 楊明, 高龍將, 王海星, 等. 電網(wǎng)不平衡下虛擬同步發(fā)電機(jī)功率-電流協(xié)調(diào)控制策略[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2019, 47(6): 17-23.

YANG Ming, GAO Longjiang, WANG Haixing, et al. Coordinate control of power and current for virtual synchronous generator under unbalanced grid voltage[J]. Power System Protection and Control, 2019, 47(6): 17-23.

[15] 高懷正, 李華, 常興, 等. 電壓跌落下虛擬同步發(fā)電機(jī)故障穿越控制[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2018, 46(17): 39-46.

GAO Huaizheng, LI Hua, CHANG Xing, et al. Fault ride-through of virtual synchronous generator under voltage drop[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(17): 39-46.

[16] 中國電力科學(xué)研究院. 光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定: GB/T 19964—2012[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2013.

China Electric Power Research Institute. Technical rule for connecting PV power station to electric power systems: GB/T 19964—2012[S]. Beijing: Standards Press of China, 2013.

[17] 陳天一, 陳來軍, 鄭天文, 等. 基于模式平滑切換的虛擬同步發(fā)電機(jī)低電壓穿越控制方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2016, 40(7): 2134-2140.

CHEN Tianyi, CHEN Laijun, ZHENG Tianwen, et al. LVRT control method of virtual synchronous generator based on mode smooth switching[J]. Power System Technology, 2016, 40(7): 2134-2140.

[18] SHI K, SONG W, XU P, et al. Low-voltage ride-through control strategy for a virtual synchronous generator based on smooth switching[J]. IEEE Access, 2018, 6: 2703-2711.

[19] 尚磊, 胡家兵, 袁小明, 等. 電網(wǎng)對(duì)稱故障下虛擬同步發(fā)電機(jī)建模與改進(jìn)控制[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2017, 37(2): 403-412.

SHANG Lei, HU Jiabing, YUAN Xiaoming, et al. Modeling and improved control of virtual synchronous generators under symmetrical faults of grid[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(2): 403-412.

[20] 陳天一, 陳來軍, 汪雨辰, 等. 考慮不平衡電網(wǎng)電壓的虛擬同步發(fā)電機(jī)平衡電流控制方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2016, 40(3): 904-909.

CHEN Tianyi, CHEN Laijun, WANG Yuchen, et al. Balanced current control of virtual synchronous generator considering unbalanced grid voltage[J]. Power System Technology, 2016, 40(3): 904-909.

[21] 萬曉鳳, 胡海林, 聶曉藝, 等. 電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)的改進(jìn)虛擬同步機(jī)控制策略[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2017, 41(11): 3573-3581.

WAN Xiaofeng, HU Hailin, NIE Xiaoyi, et al. An improved control strategy for virtual synchronous generator under unbalanced grid voltage[J]. Power System Technology, 2017, 41(11): 3573-3581.

[22] CHEN L, LI G, CHEN H, et al. Investigation of a modified flux-coupling-type SFCL for low-voltage ride-through fulfillment of a virtual synchronous generator[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2020, 30(4): 1-6.

[23] 顏湘武, 崔森, 賈焦心. 虛擬穩(wěn)態(tài)同步負(fù)阻抗的VSG功率解耦策略[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(18): 102-113.

YAN Xiangwu, CUI Sen, JIA Jiaoxin. Virtual steady state synchronous negative impedance of a VSG power decoupling strategy[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(18): 102-113.

[24] 葛俊, 劉輝, 江浩, 等. 虛擬同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行適應(yīng)性分析及探討[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2018, 42(9): 26-35.

GE Jun, LIU Hui, JIANG Hao, et al. Analysis and investigation on grid-connected operation adaptability of virtual synchronous generators[J]. Automation of Electric Power Systems, 2018, 42(9): 26-35.

[25] WU W, ZHANG M, CHEN Y, et al. Sequence impedance modeling and stability comparative analysis of voltage-controlled VSGs and current-controlled VSGs[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(8): 6460-6472.

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

WU Heng, RUAN Xinbo, YANG Dongsheng, et al. Modeling of the power loop and parameter design of virtual synchronous generators[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(24): 6508-6518.

Improved low voltage ride-through control strategy of a virtual synchronous generator during unbalanced voltage sags

DING Yifan1, JI Liang1, CHANG Xiao2, HONG Qiteng3, LI Zhenkun1, MI Yang1, GUO Jialong1

(1. School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China;2.State Grid Electric Power Research Institute of Shanxi Electric Power Company, Taiyuan 030001, China;3. University of Strathclyde, Glasgow G11XQ, United Kingdom)

The virtual synchronous generator (VSG) is an effective way to improve the stability of a new power system based on new energy.The VSG applied to inverter-interfaced renewable generation (IIRG) may lose VSG characteristics under unbalanced voltage drops, and may cause generator tripping because of insufficient low-voltage ride-through capability or voltage and current over-limit. This endangers the safe and stable operation of the power system. A new VSG control strategy is proposed in this paper. This method can not only provide system inertia and damping, but also provide active voltage support when there is unbalanced voltage drop, effectively improve the low voltage ride-through capability of VSG, and ensure system stability under disturbance.First, the response characteristics of a traditional VSG with an unbalanced voltage drop are analyzed. Then, an improved control structure based on balanced current is proposed, one which changes the traditional single current loop control of VSG to double current loop control, maintains the inertial damping characteristics of VSG under voltage drop conditions, and realizes the accurate control of positive and negative sequence components. Then, based on the improved control topology, in a safe operational condition of the inverter, the positive and negative sequence reference current setting is optimized to realize VSG active voltage support and current limiting.Finally, based on the Matlab/Simulink simulation platform, the response characteristics of the proposed control strategy in various system operating conditions are verified. This ensures the effectiveness of the method.

virtual synchronous generator; unbalanced voltage sag; voltage support capability; low voltage ride-through; current limitation

10.19783/j.cnki.pspc.211493

2021-11-03；

2022-01-14

丁一凡(1997—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槟孀冃托履茉窗l(fā)電并網(wǎng)控制；E-mail: 879527858@qq.com

季 亮(1985—)，男，通信作者，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制；E-mail: jihome2002@sina.cn

常 瀟(1987—)，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉床⒕W(wǎng)、電能質(zhì)量分析和儲(chǔ)能應(yīng)用技術(shù)等。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(61873159)；上海綠色能源并網(wǎng)工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目資助(13DZ2251900)；上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目資助

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 61873159).

(編輯 魏小麗)