收稿日期：2022-08-15

基金項目：國網(wǎng)總部科技項目（5400-202216167A-1-1ZN）

通信作者：朱作濱（1988—），男，博士研究生，主要從事微電網(wǎng)控制技術(shù)方面的研究。913672953@qq.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1215 文章編號：0254-0096（2023）12-0410-10

摘 要：針對高比例可再生能源接入電網(wǎng)由于電力電子裝置欠阻尼和慣量難以有效主動支撐系統(tǒng)頻率的缺點，同時為了兼顧儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定頻率及功率調(diào)節(jié)的重要作用，提出基于儲能協(xié)調(diào)的自適應(yīng)虛擬同步機（VSG）控制策略。首先，建立VSG光儲并網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)以及各模塊單元控制基本結(jié)構(gòu)。其次，對基于儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼協(xié)調(diào)虛擬同步機控制策略進行設(shè)計，根據(jù)功角振蕩特性曲線和轉(zhuǎn)子角頻率曲線，推導出旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼與頻率變化之間的關(guān)系。同時通過直流側(cè)儲能DC/DC控制策略結(jié)合下垂特性耦合到交流側(cè)虛擬同步機控制策略，將蓄電池荷電狀態(tài)容量（SOC）的變化通過儲能協(xié)調(diào)控制器生成VSG的部分有功參考值協(xié)調(diào)自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量[J、]阻尼[D]參與P-f調(diào)頻，并對基于儲能協(xié)調(diào)的自適應(yīng)VSG控制策略動態(tài)性能進行分析。最后，建立基于儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)VSG光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型。通過仿真驗證了該方法的可行性，仿真結(jié)果表明：基于儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)VSG控制策略相比于常規(guī)自適應(yīng)VSG控制策略，可充分發(fā)揮儲能的作用，能更好地協(xié)調(diào)[J、][D]自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率和穩(wěn)定功率、抑制波動，提高系統(tǒng)的暫態(tài)性能。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；頻率響應(yīng)；儲能；自適應(yīng)控制

中圖分類號：TM73 """""" 文獻標志碼：A

0 引 言

在全球化石能源枯竭、溫室效應(yīng)日益嚴重的現(xiàn)實威脅下，世界范圍內(nèi)正在掀起能源清潔化的熱潮，以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)正逐步向以風、光等可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型［1］。大力發(fā)展可再生能源發(fā)電、實現(xiàn)高比例可再生能源供電對世界范圍內(nèi)的能源安全與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義［2］。高滲透率的可再生能源接入電網(wǎng)，由于電力電子裝置本身弱阻尼及缺乏慣量支撐，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了巨大挑戰(zhàn)。相比于常規(guī)的下垂控制、PQ控制，虛擬同步機（virtual synchronous generator，VSG）控制技術(shù)優(yōu)點在于可模擬同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子外特性，使并網(wǎng)逆變器具有虛擬慣量和阻尼，不僅如此，VSG控制下，并網(wǎng)逆變器能參與電網(wǎng)電壓、頻率的調(diào)節(jié)，更具靈活性，因而在微電網(wǎng)應(yīng)用中越來越廣泛。

研究人員對VGS控制及其改進控制策略進行了大量研究。文獻［3］針對儲能變流器提出一種自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼控制策略，常規(guī)VSG和該控制策略對比，突出該控制策略調(diào)頻優(yōu)越性。文獻［4］提出旋轉(zhuǎn)慣量、阻尼系數(shù)和下垂系數(shù)三者自適應(yīng)綜合調(diào)節(jié)VSG并聯(lián)逆變器控制策略，相比于VSG、自適應(yīng)[m]、自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼系數(shù)綜合控制具有更好的調(diào)頻效果，但在固定線路阻抗中，多機并聯(lián)改變下垂系數(shù)會帶來無功環(huán)流問題。文獻［5］提出一種自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量VSG控制策略應(yīng)用于單相逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)，可有效自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率和抑制功率超調(diào)。文獻［6-7］提出改進的慣量阻尼控制策略，可通過調(diào)節(jié)相關(guān)系數(shù)實現(xiàn)有功功率超調(diào)振蕩的抑制。文獻［8-11］通過自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼系數(shù)綜合協(xié)調(diào)控制來抑制有功功率振蕩及頻率的調(diào)節(jié)。文獻［12］在阻尼系數(shù)[D]上并聯(lián)一個開關(guān)延時環(huán)節(jié)，實現(xiàn)VSG的二次調(diào)頻，但是犧牲了動態(tài)響應(yīng)性能，相比VSG二次調(diào)頻，頻率恢復(fù)時間較長。文獻［13］提出一種分數(shù)階虛擬慣性VSG控制策略，階數(shù)與超調(diào)并非簡單的線性關(guān)系，抑制振蕩的合適階數(shù)不易確定。文獻［14］提出一種基于角頻率偏差補償?shù)腣SG控制策略，當旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼系數(shù)一定時，通過給定合適的角頻率偏差補償系數(shù)來抑制功率振蕩和角頻率變化，相比于只調(diào)旋轉(zhuǎn)慣量或阻尼系數(shù)時具有更好的動態(tài)特性。文獻［15］提出自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼系數(shù)VSG控制策略，通過并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種運行案例驗證了該控制策略具有頻率調(diào)節(jié)和功率超調(diào)抑制作用，但頻率調(diào)節(jié)和功率超調(diào)抑制與常規(guī)方法區(qū)分度不明顯，而且功率超調(diào)效果仍較顯著。文獻［16］將常規(guī)的VSG應(yīng)用于光儲并網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)一次調(diào)頻和調(diào)壓。文獻［17］提出一種自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量VSG控制策略，并將其應(yīng)用于多機并聯(lián)逆變器中，在負載變化時，能夠自適應(yīng)響應(yīng)頻率的變化，但在頻率變化率一致的條件下，快速響應(yīng)性能不如增大固定旋轉(zhuǎn)慣量或減少旋轉(zhuǎn)慣量。文獻［18］提出三段式的自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量VSG控制策略，該方法能很好地抑制頻率的波動，但有功和無功功率振蕩仍比較明顯。文獻［19］提出一種調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)慣量系數(shù)和阻尼補償系數(shù)VSG控制策略研究，但有功抑制振蕩和調(diào)頻效果不明顯，跟固定參數(shù)VSG控制效果幾乎一樣。文獻［20］提出一種變慣量啟停式控制策略，當電網(wǎng)故障時，光儲系統(tǒng)能夠自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量平抑有功振蕩。文獻［21］提出協(xié)同自適應(yīng)控制策略并應(yīng)用光儲微電網(wǎng)中，能夠很好地實現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)和抑制功率振蕩，功率振蕩抑制的同時犧牲了一定的快速響應(yīng)性。文獻［22］提出一種靈活的旋轉(zhuǎn)慣量自適應(yīng)調(diào)節(jié)VSG控制策略，通過調(diào)節(jié)頻率變化率系數(shù)實現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)，最后應(yīng)用于光儲系統(tǒng)驗證了其調(diào)頻特性。

在上述文獻研究的基礎(chǔ)上，本文提出一種基于儲能協(xié)調(diào)的自適應(yīng)VSG控制策略。在設(shè)計自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼VSG控制策略的基礎(chǔ)上，通過直流側(cè)儲能系統(tǒng)DC/DC變換器耦合至DC/AC逆變器中，儲能系統(tǒng)SOC通過儲能協(xié)調(diào)控制器控制系統(tǒng)輸出，充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)作用。設(shè)計基于儲能協(xié)調(diào)的自適應(yīng)VSG控制策略。最后，建立基于儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)VSG控制系統(tǒng)仿真模型進行仿真測試，測試結(jié)果表明：基于儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)VSG控制策略相比于常規(guī)自適應(yīng)VSG控制策略，可充分發(fā)揮儲能的作用，能更好地協(xié)調(diào)J、D自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率和穩(wěn)定功率、抑制波動，提高系統(tǒng)的暫態(tài)性能。

1 VSG光儲并網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

基于VSG并網(wǎng)型光儲微網(wǎng)系統(tǒng)由光伏組件（photovoltaic，PV）、DC/DC Boost電路、DC/DC儲能系統(tǒng)、負載、DC/AC并網(wǎng)逆變器、直流母線等組成，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

DC/AC逆變器通過VSG控制并網(wǎng)，VSG控制器主要有虛擬調(diào)速器和虛擬勵磁控制器兩種。通過虛擬調(diào)速器模擬同步發(fā)電機的一次調(diào)頻，通過虛擬勵磁控制器模擬調(diào)壓特性，由虛擬調(diào)速器產(chǎn)生功角，虛擬勵磁控制器產(chǎn)生電壓，再通過電壓電流雙環(huán)控制器產(chǎn)生電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)（space vector pulse width modulation，SVPWM）波觸發(fā)逆變器開關(guān)管導通實現(xiàn)并網(wǎng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中：[L]為濾波電感；[C]為濾波電容；[P]、[Q]分別為變流器輸出的有功、無功功率；[I]、[U]分別為VSG經(jīng)LC濾波后輸出電流和電壓；[Vdc]為直流母線電壓；[Cin]為直流母線電容。

2 系統(tǒng)內(nèi)各單位模塊及其控制

2.1 PV系統(tǒng)單元及其控制

PV系統(tǒng)單元基本結(jié)構(gòu)包含PV、Boost電路、最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）模塊以及直流母線。PV經(jīng)Boost電路，將PV端電壓升至直流母線電壓，同時為了提高光能利用率，PV始終按最大功率輸出，通過最大功率跟蹤形成脈沖寬度調(diào)變（pulse width modulation，PWM）波觸發(fā)開關(guān)管S1控制Boost電路通斷，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中，[ipv]為PV輸出電流，[Upv]為PV端電壓，[L1]為Boost電路濾波電感，[C1]為boost電路濾波電容。

2.2 儲能單元及其控制

蓄電池模型由一個基于荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）的電壓源和電阻串聯(lián)等效而成，儲能[SOC]的表達式為：

[α=αi-1Qbibdt]"" （1）

式中：[αi]——蓄電池的初始荷電狀態(tài)；[Qb]——蓄電池容量，Ah；[ib]——蓄電池的端電流，A。

蓄電池儲能系統(tǒng)利用DC/DC雙向變換器既能工作于Boost模式又能工作于Buck模式，利用能量的雙向流動，控制蓄電池的充放電來維持直流母線電壓恒定及系統(tǒng)內(nèi)功率平衡，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。雙向DC/DC變換器采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)控制開關(guān)管[S1、][S2]導通。其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4中：[R、][L]分別為系統(tǒng)電阻和電感；[Vdcref]為給定直流母線參考電壓；[Vdc]為直流母線電壓；[Cin]為直流母線電容；[Ub]為蓄電池端電壓；[ib]為蓄電池輸出端電流；[i、][i0]分別為DC/DC雙向變換器輸出電流、直流母線電流；[m1、m2]為IGBT觸發(fā)脈沖。

2.3 自適應(yīng)VSG模型及其控制

2.3.1 VSG控制

VSG控制器方程為：

[Jdωdt=Pm-Peω-Dω-ωnω=dθdtPm=Pref+1mωn-ωE=Un+nQref-Qe-Umkus]"""""" （2）

式中：[J]——旋轉(zhuǎn)慣量，kg·m2；[ω]——系統(tǒng)角速度，rad/s；[Pm]——輸入機械功率，kW；[Pe]——系統(tǒng)輸出有功功率，kW；[D]——阻尼系數(shù)，N·m·s/rad；[ωn]——系統(tǒng)額定角速度，rad/s；[θ]——系統(tǒng)功角，（ °）；[Pref]——有功參考值，kW；[m]——有功下垂系數(shù)；[E]——VSG功率環(huán)輸出電壓，V；；[Un]——額定電壓值，V；[n]——無功下垂系數(shù)；[Qref]——無功參考值，kVar；[Qe]——系統(tǒng)輸出無功功率，kW；[Um]——實際電壓有效值，V；[ku]——積分系數(shù)。

由式（2）可得虛擬調(diào)速器和虛擬勵磁控制器結(jié)構(gòu)原理框圖，再結(jié)合電壓電流雙環(huán)控制器，可得VSG整體控制原理框圖如圖5所示。

2.3.2 自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量[J]和阻尼[D]控制

首先分析[J]和[D]對頻率偏差及偏差變化率的影響，由式（2）可知，可通過調(diào)節(jié)[J]和[D]控制[Δω]和[dω/dt]來調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。為了便于分析，將角頻率的振蕩過程劃分為4個間隔期間（如圖6所示），在［[t1]，[t2]］期間，[dω/dt]大于0，角速度單調(diào)遞增，為了抑制角速度的變化率，減緩[ω]遠離[ωn]，通過增大[J]，保持[D]不變來實現(xiàn)；在［[t2]，[t3]］期間，[dω/dt]小于0，角速度單調(diào)遞減，為了加速[ω]往[ωn]靠近，通過減少[J]和增大[D]可增大[dω/dt]，加速[ω]往[ωn]靠近；在［[t3]，[t4]］期間，[dω/dt]小于0，且[ω]遠離[ωn]，為了抑制[ω]遠離[ωn]，可通過增大[J]和保持[D]不變減少[dω/dt]；在［[t4]，[t5]］期間，通過減少[J]來增大[dω/dt]增大，通過增加[D]來減少[Δω]，使得角速度加速往[ωn]靠近。

根據(jù)表1規(guī)律得出自適應(yīng)虛擬旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼的表達式為：

[J=J0"""，Δωdωdt≤0，" dωdt≤2.5J0+kjΔωdωdt""""，" Δωdωdtgt;0，" dωdtgt;2.5"""]"""""" （3）

[D=D0""""""""""""""""""，"" Δω≤0.5D0+kdΔω，" """""Δωgt;0.5] （4）

式中：[J0]——固定旋轉(zhuǎn)慣量，kg·m2；[kj]——旋轉(zhuǎn)慣量調(diào)節(jié)系數(shù)；[kd]——阻尼調(diào)節(jié)系數(shù)；[D0]——固定阻尼，N·m·s/rad。

由式（3）和式（4）可得，自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼控制原理框圖如圖7和圖8所示。

1）系統(tǒng)在0.4 s時發(fā)生擾動，VSG出力40 kW，[kd]取定值30，[kj]取不同值時系統(tǒng)頻率變化曲線如圖9所示。由圖9可知，隨著[kj]的增大，頻率波動達到峰值的時間依次為0.05、0.08、1.00 s，且頻率變化峰值逐漸減小，頻率的超調(diào)量也逐漸減少。綜合考慮系統(tǒng)暫態(tài)性能指標，本文選擇[kj=1.0]。

2）系統(tǒng)在0.4 s時發(fā)生擾動，VSG出力40 kW，[kj]取定值1.0，[kd]變化時，系統(tǒng)頻率變化曲線如圖10所示。由圖10可知，隨著[kd]的增大，系統(tǒng)頻率峰值逐漸減小，同時頻率下降恢復(fù)至50 Hz時超調(diào)量也逐漸減小，但動態(tài)響應(yīng)時間延長。綜合考慮暫態(tài)性能指標，本文選擇[kd=30]。

3）當[kj]和[kd]取固定值時，系統(tǒng)在0.4 s和0.7 s發(fā)生負載擾動，自適應(yīng)[J、]D-VSG控制策略調(diào)頻特性如圖11所示。由圖11可知，固定參數(shù)VSG控制策略，暫態(tài)過程中系統(tǒng)頻率最高點約為50.18 Hz，當只投入自適應(yīng)[J]時，系統(tǒng)最高點頻率降至50.08 Hz，下降0.1 Hz；當自適應(yīng)[J、][D]同時投入時，自適應(yīng)[D]的調(diào)節(jié)幅度相比于[J]時有所降低，此時最高點頻率降至50.06 Hz，調(diào)頻性能優(yōu)于自適應(yīng)[J]。

3 儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)VSG控制

為了充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)頻率及穩(wěn)定功率的作用，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，在自適應(yīng)[J、]D-VSG的基礎(chǔ)上提出儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)[J、]D-VSG控制策略，其設(shè)計過程如下。

DC/DC變換器等效為原動機，DC/AC變換器等效為同步發(fā)電機，如圖12所示。

儲能系統(tǒng)輸出的有功功率和無功功率為：

[Pe=32·UsUgXsinδ≈32·UsUgXδQe=32·UsUgcosδ-U2gX≈32·UgUs-UgXX=ωLg+L]" （5）

式中：[Us]——逆變器輸出端電壓，V；[Ug]——電網(wǎng)電壓，V；[δ]——逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓之間的相角差，（ °）；[Lg]——線路電感，mH；[L]——逆變器輸出濾波電感，mH。

則DC/DC和DC/AC逆變器接口處功率為：

[Pin=1/mωn-ω+Psoc]" （6）

式中：[Psoc]——蓄電池輸出功率額定值，kW。

流入直流母線的電流為：

[Ic=Cdudcdt=Iin-Idc]""" （7）

式中：[Iin]——光伏和儲能輸出電流之和，A；[Idc]——流入逆變器的電流，A。

將式（7）改寫為：

[Ic=Cdudcdt=12CU2dc12CU2dcCdudcdt=2EkU2dc·dudcdt]""" （8）

將式（8）代入式（7），同時標幺值化，可得：

[2EkPB·du*dcdt=Tjdu*dcdt=I*in-I*dcIB=PBUdc]"" （9）

式中：[Ek]——直流母線電容存儲的能量，J；[PB]——基準功率，kW；[Tj]——等效慣性系數(shù)，kg·m2；[u*dc]——直流母線電壓標幺值；[I*in]——光伏和儲能電流之和標幺值；[I*dc]——流入逆變器電流標幺值。

將式（9）線性化，可得

[2HdΔudt=ΔPin-ΔPeH=CU2dcPB]"" （10）

式中：[ΔPin]——DC/DC到DC/AC接口處的功率，kW；[ΔPe]——流入逆變器的功率，kW。

聯(lián)立式（1）和式（6）可得：

[ΔPin=UbΔIb=Ubαref-αQb+1mΔω]"" （11）

逆變器并網(wǎng)電流直軸分量為：

[Id=UsXsinδ]"""""" （12）

由DC/AC逆變器電壓外環(huán)控制可得：

[UsXsinδ=-kp+kisUdc-udc] （13）

將式（13）線性化，可得：

[sKΔδ=skp+kiΔudcK=UsXcosδ]""" （14）

將式（5）線性化，聯(lián)立式（11）和式（14）代入式（10）得：

[sΔδ=Δω2KHs2Δδskp+ki=Ubαref-αQb"""""""""""""""""""+Δω/m-3/2KUgΔδ]""""" （15）

對式（15）進一步化簡可得：

[sΔδ=Δω2KHdΔωdt=Ubαref-αQbskp+ki+"""""" kpm·dΔωdt+kpkimΔω-32KUgΔωkp-32KUgΔδki] （16）

由式（16）可得，儲能協(xié)調(diào)控制自適應(yīng)VSG原理框圖如圖13所示。

當系統(tǒng)0.6 s增加負荷，1.5 s時切除負荷，儲能初始容量為[α=50]，儲能容量參考值[αref]取不同值時系統(tǒng)頻率變化曲線及對應(yīng)的電磁功率輸出波形如圖14所示。

由圖14a可知，給定參考容量[αref]越大，系統(tǒng)調(diào)頻性能越好，在0.6 s和1.5 s時系統(tǒng)發(fā)生擾動，本文僅對0.6 s時系統(tǒng)發(fā)生擾動進行分析，對1.5 s時系統(tǒng)發(fā)生擾動不再敘述，其分析與0.6 s時系統(tǒng)發(fā)生擾動分析類似。當[αref=30]時，系統(tǒng)頻率最高點為50.16 Hz；當[αref=40]時，系統(tǒng)頻率最高點約為50.154 Hz，[αref]增大到50時，最高點頻率降到約50.144 Hz，暫態(tài)過渡時間約為0.2 s，充分發(fā)揮了儲能系統(tǒng)具有的調(diào)頻能力。由圖14b可知，給定參考[αref]每增加10，對應(yīng)的VSG有功出力降低20，基本呈線性關(guān)系。儲能系統(tǒng)具備協(xié)調(diào)自適應(yīng)VSG出力的功能，合理安排VSG有功出力，同時防止儲能系統(tǒng)過沖過放，延長和保護儲能系統(tǒng)使用壽命。

4 儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)VSG穩(wěn)定性分析

對圖12進一步化簡，建立SOC控制框圖如圖15所示。

由圖15可知，[Po]到[Pe]的傳遞函數(shù)為：

[PesPos=1.5KUgkiJωns2+Dωn+As+1.5KUgki] （17）

將式（17）代入圖15中對[SOC]控制原理框圖進一步化簡如圖16所示。

由圖16可得系統(tǒng)[α]到[αref]的傳遞函數(shù)為：

[ααref=1.5KUgkiskp+kiJωns3+as2+bs+ca=Dωn+Ab=1.5KUgki1+kpc=1.5KUgki2]" （18）

閉環(huán)系統(tǒng)特征方程為：

[Jωns3+as2+bs+c=0]""" （19）

根據(jù)特征方程，畫出系統(tǒng)[J、][D]和[kp]、[ki]變化時系統(tǒng)根軌跡，如圖17所示。

由圖17a可知，隨著[J]的增大，系統(tǒng)狀態(tài)由欠阻尼過渡到過阻尼狀態(tài)，如果[J]繼續(xù)增大，系統(tǒng)的阻尼和固有振蕩頻率將會降低，超調(diào)將會增加，系統(tǒng)動態(tài)性能將變差。由圖17b可知，隨著[D]的增大，系統(tǒng)在欠阻尼狀態(tài)下系統(tǒng)阻尼將會增大，但在過阻尼狀態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)速度將會降低。由圖17c可知，隨著[kp]的增大，系統(tǒng)的阻尼將會增大，同時響應(yīng)速度降低。由圖17d可知，隨著[ki]的增大，[s3]靠近虛軸，[s1]和[s2]遠離實軸，系統(tǒng)阻尼降低，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，甚至出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

5 系統(tǒng)仿真與分析

建立儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)VSG控制策略系統(tǒng)仿真模型，并對其進行仿真測試，系統(tǒng)仿真參數(shù)如表2所示。

1）為了突出儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)VSG控制策略的優(yōu)越性，設(shè)置在[t=0.4]s時光照強度發(fā)生變化，[t=0.6] s時系統(tǒng)增加10 kW負荷，0.9 s時系統(tǒng)切除10 kW負荷，系統(tǒng)總的仿真時間設(shè)置為1.2 s，[αref=30]，則仿真波形如圖18所示。

儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)VSG控制策略，在系統(tǒng)啟動工作瞬間能夠更好地抑制有功功率振蕩，同時在0.6 s和0.9 s負載擾動時能夠更好地平抑功率波動，如圖18a和圖18e所示。同時儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)VSG相對于常規(guī)自適應(yīng)VSG控制策略來說，由于儲能系統(tǒng)的參與，其調(diào)頻性能更佳。由圖18b可知，在0.6 s發(fā)生擾動時，自適應(yīng)VSG系統(tǒng)頻率最高點約為50.18 Hz，暫態(tài)過渡時間約為0.2 s；而儲能協(xié)調(diào)頻率最高點約為50.165 Hz，暫態(tài)過渡時間約為0.14 s。旋轉(zhuǎn)慣量[J]和阻尼[D]在受到擾動后也能自適應(yīng)重新回到穩(wěn)態(tài)值，儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)VSG相比于自適應(yīng)VSG，由于儲能的穩(wěn)定作用其暫態(tài)峰值更能得到抑制，且在過渡過程中附加的擾動更少。由圖18c和圖18d可知，自適應(yīng)VSG下[J、][D]在擾動下的峰值分別約為3.8 kg·m2和15.44 N·m·s/rad，擾動后重新回到穩(wěn)態(tài)值（暫態(tài)過渡時間）約為0.18 s。而儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)VSG下，[J、][D]在擾動下的峰值分別約為3.2 kg·m2和15.36 N·m·s/rad，擾動后重新回到穩(wěn)態(tài)值（暫態(tài)過渡時間）約為0.12 s。

由圖18可知，基于儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)VSG控制策略相比于常規(guī)自適應(yīng)VSG控制策略，可充分發(fā)揮儲能的作用，能夠更好地協(xié)調(diào)[J、][D]自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率和穩(wěn)定功率抑制波動，提高系統(tǒng)暫態(tài)性能。

2）儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)VSG控制策略在光儲微電網(wǎng)中應(yīng)用仿真情況

①系統(tǒng)有功響應(yīng)仿真

設(shè)置仿真總時間2 s，光照強度變化S=［1000，1800］，對應(yīng)時間t=［0，0.4］s， [αref=30]，初始負載20 kW，[t=0.6 s]時，切除10 kW負荷，[t=1.5 s]時增加10 kW，仿真波形如圖19所示。由圖19a可知，系統(tǒng)有功響應(yīng)，儲能系統(tǒng)根據(jù)[αref=30]的指令，協(xié)調(diào)VSG輸出40 kW的指令，在0～0.4 s，光伏輸出最大功率為15 kW，儲能此時輸出25 kW，滿足VSG逆變器指令需求。0.4 s之后，光照強度增強，此時PV輸出約為30 kW，為了滿足VSG逆變器輸出指令40 kW，儲能系統(tǒng)輸出10 kW。由于在0.6 s和1.5 s時負載擾動，VSG逆變器和儲能系統(tǒng)輸出有功功率在對應(yīng)時間上也有相應(yīng)波動，短時間內(nèi)很快恢復(fù)穩(wěn)定值。0.6 s之前負載一直為20 kW，故輸送至電網(wǎng)的功率為20 kW，0.6～1.5 s之間，負載變?yōu)?0 kW，故輸送至電網(wǎng)的功率為30 kW，1.5～2.0 s，負載變?yōu)?0 kW，此時輸送至電網(wǎng)的功率變?yōu)?0 kW。輸送至電網(wǎng)的功率與圖19c完全吻合。由圖19b可知，整個仿真過程中直流母線電壓在受到光照擾動和負載擾動后很快恢復(fù)穩(wěn)定在800 V。如圖19d所示，系統(tǒng)頻率上升約0.1 Hz，0.2 s后恢復(fù)至50 Hz。

②系統(tǒng)無功響應(yīng)仿真

就地無功消耗情況：初始無功5 kvar，在0.6 s時切除，1.5 s時再次投入，系統(tǒng)無功響應(yīng)波形如圖20所示。

由圖20a可知，系統(tǒng)無功響應(yīng)在0～0.6 s時VSG逆變器按照給定無功輸出10 kVar，在0.6～1.5 s時VSG逆變器按照指令輸出0 kvar，1.5～2.0 s時VSG逆變器輸出10 kvar。對應(yīng)時間段內(nèi)，0～0.6 s時負載消耗無功5 kvVar，0.6～1.5 s時負載消耗無功0 kvar，1.5～2.0 s時負載消耗無功5 kvar，則對應(yīng)時間段內(nèi)輸送至電網(wǎng)的功率依次為5、0、5 kvar，與圖19c完全吻合。由圖19b可知，VSG逆變器端電壓也跟隨無功功率的變化。電壓也由311 V升至311.8 V，然后又降至311 V，類似于同步發(fā)電機的一次調(diào)壓。

6 結(jié) 論

通過分析自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼VSG控制調(diào)頻響應(yīng)及抑制功率超調(diào)能力，結(jié)合儲能蓄電池DC/DC控制器，通過下垂控制耦合至DC/AC并網(wǎng)逆變器，通過調(diào)節(jié)儲能的容量來控制VSG逆變器有功輸出，充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)的調(diào)頻。建立儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)VSG逆變器控制系統(tǒng)進行仿真測試，仿真測試得出主要結(jié)論如下：

1）儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)VSG控制策略能夠自主根據(jù)儲能[SOC]情況下達指令協(xié)調(diào)儲能輸出相應(yīng)的功率。在最大[SOC]下，每增加10%，儲能協(xié)調(diào)出力降低20%，充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)的作用，合理安排儲能系統(tǒng)充放電，避免過充過放，可延長系統(tǒng)使用壽命。

2）儲能協(xié)調(diào)自適應(yīng)VSG控制策略相比于自適應(yīng)VSG控制策略具有更好的調(diào)頻性能和抑制功率振蕩效果，可提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。針對交流測負荷波動引起的暫態(tài)過程，在0.6 s擾動時，系統(tǒng)頻率幅值降低了0.015 Hz，暫態(tài)過渡時間縮短了0.06 s。

3）通過仿真驗證了該控制策略的有效性，但未提供實驗驗證，這是本文不足之處，也是后續(xù)需要研究補充的。

［參考文獻］

［1］"""" 文云峰， 楊偉峰， 汪榮華， 等. 構(gòu)建100%可再生能源電力系統(tǒng)述評與展望［J］. 中國電機工程學報， 2020， 40（6）： 1843-1856.

WEN Y F， YANG W F， WANG R H， et al. Review and prospect of toward 100% renewable energy power systems［J］. Proceedings of the CSEE， 2020， 40（6）： 1843-1856.

［2］"""" 董凌， 李延和， 劉鋒， 等. 區(qū)域全清潔能源供電的發(fā)展路徑與實踐： 以青海省為例［J］. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)， 2020， 3（4）： 385-392.

DONG L， LI Y H， LIU F， et al. Development path and practice of regional fully clean power supply： a case study of"" Qinghai""" Province［J］."nbsp; Journal""" of""" global""" energy interconnection， 2020， 3（4）： 385-392.

［3］"""" 吳舟， 鄒曉松， 袁旭峰， 等. 計及儲能動態(tài)的VSG慣量阻尼自適應(yīng)控制研究［J］. 電網(wǎng)與清潔能源， 2020， 36（12）： 83-91.

WU Z， ZOU X S， YUAN X F， et al. Research on VSG rotational inertia and damping adaptive control considering energy" storage" dynamics［J］." Power"" system"" and"" clean energy， 2020， 36（12）： 83-91.

［4］"""" 王振浩， 張越， 成龍， 等. 多參數(shù)協(xié)同自適應(yīng)的改進虛擬同步控制策略［J］. 電網(wǎng)技術(shù)， 2023， 47（6）： 2403-2414.

WANG Z H， ZHANG Y， CHENG L， et al. Improved virtual synchronization control strategy with multi-parameter""" adaptive""" collaboration［J］.""" Power"""" system technology， 2023， 47（6）： 2403-2414.

［5］"""" 于晶榮， 孫文， 于佳琪， 等. 基于慣性自適應(yīng)的并網(wǎng)逆變器虛擬同步發(fā)電機控制［J］. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2022， 50（4）： 137-144.

YU J R， SUN W， YU J Q， et al. Virtual synchronous generator" control" of" a" grid-connected" inverter" based" on adaptive inertia［J］. Power system protection and control， 2022， 50（4）： 137-144.

［6］"""" 蘭征， 龍陽， 曾進輝， 等. 引入暫態(tài)電磁功率補償?shù)腣SG控制策略［J］. 電網(wǎng)技術(shù)， 2022， 46（4）： 1421-1429.

LAN Z， LONG Y， ZENG J H， et al. VSG control strategy with"" transient" electromagnetic" power"" compensation［J］. Power system technology， 2022， 46（4）： 1421-1429.

［7］"""" 李志軍， 賈學巖， 王麗娟， 等. 基于改進慣量阻尼特性的VSG控制策略［J］. 太陽能學報， 2021， 42（7）： 78-85.

LI Z J， JIA X Y， WANG L J， et al. Improved virtual synchronous generator based on enhanced inertia and damping characteristics［J］. Acta energiae solaris sinica， 2021， 42（7）： 78-85.

［8］"""" LI D D， ZHU Q W， LIN S F， et al. A self-adaptive inertia and damping combination control of VSG to support frequency""" stability［J］."" IEEE"" transactions"" on"" energy conversion， 2017， 32（1）： 397-398.

［9］"""" 楊赟， 梅飛， 張宸宇， 等. 虛擬同步發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)協(xié)同自適應(yīng)控制策略［J］. 電力自動化設(shè)備， 2019， 39（3）： 125-131.

YANG Y， MEI F， ZHANG C Y， et al. Coordinated adaptive control strategy of rotational inertia and damping coefficient for virtual synchronous generator［J］. Electric power automation equipment， 2019， 39（3）： 125-131.

［10］""" 張良， 范廣勝， 黃南天， 等. 交直流混合微電網(wǎng)母線接口參數(shù)自適應(yīng)VSG控制策略［J］. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2021， 49（14）： 45-54.

ZHANG L， FAN G S， HUANG N T， et al. Adaptive VSG control strategy for interlinking converter in an AC/DC hybrid microgrid［J］. Power system protection and control， 2021， 49（14）： 45-54.

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

WEN C X， CHEN D， HU C B， 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.

［12］""" 孫亮， 楊曉飛， 孫立國， 等. 基于改進虛擬同步發(fā)電機的多逆變器頻率無差控制策略［J］. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2021， 49（11）： 18-27.

SUN L， YANG X F， SUN L G， et al. Frequent deviation-free"" control"" for"" microgrid"" multi-inverters"" based" on improving a virtual synchronous generator［J］. Power system protection and control， 2021， 49（11）： 18-27.

［13］""" 張赟寧， 周小萌. 并網(wǎng)逆變器分數(shù)階虛擬慣性的虛擬同步發(fā)電機控制技術(shù)［J］. 控制與決策， 2021， 36（2）： 463-468.

ZHANG Y N， ZHOU X M. Virtual synchronous generator control technology with fractional virtual inertia for grid-connected inverters［J］. Control and decision， 2021， 36（2）： 463-468.

［14］""" 陳宇杰， 王淳， 王青， 等. 基于角頻率偏差補償?shù)腣SG有功控制［J］. 電網(wǎng)技術(shù)， 2019， 43（9）： 3432-3439.

CHEN Y J， WANG C， WANG Q， et al. A VSG active power control based on angular frequency deviation compensation［J］."" Power"" system" technology，" 2019，"" 43（9）： 3432-3439.

［15］""" 殷桂梁， 董浩， 代亞超， 等. 光伏微網(wǎng)中虛擬同步發(fā)電機參數(shù)自適應(yīng)控制策略［J］. 電網(wǎng)技術(shù)， 2020， 44（1）： 192-199.

YIN G L， DONG H， DAI Y C， et al. Adaptive control strategy of VSG parameters in photovoltaic microgrid［J］. Power system technology， 2020， 44（1）： 192-199.

［16］""" 陳文倩， 辛小南， 程志平. 基于虛擬同步發(fā)電機的光儲并網(wǎng)發(fā)電控制技術(shù)［J］. 電工技術(shù)學報， 2018， 33（S2）： 538-545.

CHEN W Q， XIN X N， CHENG Z P. Control of grid-connected of photovoltaic system with storage based on virtual" synchronous" generator［J］." Transactions" of" China Electrotechnical Society， 2018， 33（S2）： 538-545.

［17］""" HOU X C， SUN Y， ZHANG X， et al. Improvement of frequency"" regulation"" in"" VSG-based" AC"" microgrid" via adaptive" virtual" inertia［J］." IEEE" transactions" on" power electronics， 2020， 35（2）： 1589-1602.

［18］""" 程啟明， 余德清， 程尹曼， 等. 基于自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量的虛擬同步發(fā)電機控制策略［J］. 電力自動化設(shè)備， 2018， 38（12）： 79-85.

CHENG Q M， YU D Q， CHENG Y M， et al. Control strategy of virtual synchronous generator based on adaptive rotational inertia［J］. Electric power automation equipment， 2018， 38（12）： 79-85.

［19］""" WAN X Y， GAN Y M， ZHANG F， et al. Research on control strategy of virtual synchronous generator based on self-adaptive""" inertia""" and""" damping［C］//2020"" 4th International Conference on HVDC （HVDC）. Xi’an， China， 2020： 1006-1012.

［20］""" LIU J， YANG D J， YAO W， et al. PV-based virtual synchronous generator with variable inertia to enhance power system transient stability utilizing the energy storage system［J］."" Protection"" and"" control"" of"" modern"" power systems， 2017， 2（1）： 1-8.

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

CHENG Z X， YU Y， CHAI X Z. 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.

［22］""" LIU J， YANG D J， YAO W， et al. Flexible virtual synchronous generator control for distributed generator with adaptive inertia［J］. Electric power components and systems， 2019， 47（1）： 128-140.

RESEARCH ON ADAPTIVE VSG CONTROL STRATEGY BASED ON ENERGY STORAGE COORDINATION

Zhu Zuobin1，2，Sun Shumin1，2，Ding Yueming3，Huang Shaoping4

（1. School of Electrical and Electronic Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255020， China；

2. Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Company， Ji’nan 250002， China；

3. Rizhao Power Supply Company of State Grid Shandong Electric Power Company， Rizhao 276800， China；

4. Hunan Institute of Engineering， Xiangtan 411100， China ）

Abstract：In view of the disadvantages of high proportion of the underdamping of power electronic devices and the difficulty of inertia to effectively and actively support the system frequency when high proportion of renewable energy connected to the power grid， and in order to take into account the important role of stable frequency and power regulation of the energy storage system， an adaptive virtual synchronous generator（VSG） control strategy based on energy storage coordination is proposed in this paper. First of all， the basic structure of optical storage and grid connection of VSG and the basic control structure of each module unit are established. Secondly， the control strategy of virtual synchronous machine based on energy storage coordination adaptive rotating inertia and damping coordination is designed. According to the power angular vibration characteristic curve and rotor angular frequency curve， the relationship between rotating inertia and damping and frequency change is derived. The change of SOC capacity is used to generate the active reference value of VSG through energy storage coordination controller to coordinate J and D to participate in P-f frequency modulation. Meanwhile， the DC side energy storage DCDC control strategy combined with droop characteristics is coupled to the AC side VSG control strategy， and the dynamic performance of the adaptive VSG control strategy based on energy storage coordination is analyzed. Finally， an adaptive VSG optical storage microgrid system simulation model based on energy storage coordination is established. The feasibility of this method is verified by simulation experiments. The simulation results show that compared with the conventional adaptive VSG control strategy， the adaptive VSG control strategy based on energy storage coordination can give full play to the role of energy storage， better coordinate [J] and [D] to adaptively adjust the system frequency and stabilize power， suppress fluctuations， and improve the transient performance of the system.

Keywords：microgrid； frequency response； energy storage； adaptive control