基于频率波动特征的虚拟同步发电机控制技术

基于频率波动特征的虚拟同步发电机控制技术

文章首先介绍了三相四线制虚拟同步发电机（VSG）的原理及系统结构，建立了三相四线制虚拟同步发电机（VSG）的仿真模型。同时，文章还提出一种新的基于波动特征参数的VSG控制方法，该方法能够根据频率的变化速率自动调整惯性大小，并兼顾系统的稳定性、动态性能与对功率脉动的抑制能力。最后搭建了试验平台，验证了波动特征参数控制的有效性。

标签：虚拟同步发电机；功率控制；波动特征

引言

风电、太阳能等可再生能源通过并网逆变器转化为交流电能馈入电网，并网逆变器是可再生能源发电系统与电网之间的能量变换接口。早期接入电网的分布式电源容量较小，对电力系统的影响较弱，因此当时的并网标准并不要求分布式电源参与电力系统的功率调节。随着分布式电源接入电网的容量越来越大，对电力系统的稳定性、安全性造成较大影响。为了可以采用一定的控制技术，让并网逆变器模拟同步发电机的特性，在保证自身稳定、安全和经济运行的同时，还要为电网提供一定的功率支撑，以维持电网的稳定运行。

1 电力系统与虚拟同步发电机

同步发电机转子的惯性能够帮助电网稳定频率，其基本原理如下：当电力系统的有功功率负荷突然减少时，电力系统中发电设备的输出功率的响应分为惯性响应、一次调频、二次调频三个主要期间。在最初的惯性响应期间，系统中有功负荷消耗的功率大于同步发电机输出的有功功率，因此，这些不平衡功率施加在同步发电机的转子上，使其转速上升。在这过程中转子吸收一部分动能来抵消发电机发出的多余功率，从而导致电力系统的频率上升；在一次调频阶段，电网频率与其额定值的偏差超过一定值时（如0.02Hz），电力系统就开始一次调频，同步发电机根据频率偏差量Δf自动减少其输出的有功功率，最终使得系统中的有功功率平衡；在二次调频期间，当电力系统频率发生偏差时，调频电厂会根据频率的偏差量调节其输出的有功功率，使得电网频率最终恢复到额定值。

图1给出了电力系统有功负荷突然减少时，传统的强惯性电网和高渗透下可再生能源的弱惯性电网的频率响应的对比曲线。可见，为了保证高渗透率下的电力系统频率与电压幅值的稳定性，并网逆变器应能够模拟同步发电机的惯性、一次调频和一次调压特性。基于这一思想，国内外学者提出了虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator， VSG）的概念，VSG的基本思想在于通过控制使得并网逆变器模拟同步发电机的特性，即惯性、一次调频特性和一次调压特性。VSG技术有望解决分布式电源大规模接入电网所造成的稳定性问题，近年来受到了广泛的关注。

2 VSG的模型与控制原理

采用VSG 控制的分布式并网单元容量较小，主动配电网的其他部分可以等效为无穷大母线，图2为同步发电机的结构图，图3为VSG的主电路拓扑和控制结构，其中，Q1～Q6组成三相逆变桥，逆变器侧电感L1、滤波电容C和网侧电感L2构成LCL型滤波器。对比图2和图3，从并网逆变器主电路与同步发电机电气部分等效的角度来看，可以认为并网逆变器输出电压va、vb、vc模拟同步发电机的感应电电势，逆变器侧电感L2模拟同步发电机的同步电抗。

画出VSG有功环的控制框图，如图4所示。这样，VSG的有功環完全模拟了同步发电机的惯性和一次调频特性。对于同步发电机来说，只能通过调节其励磁电流间接地调整其内电势的幅值，其无功环只需要模拟同步发电机一次调压特性即可，画出VSG无功环的控制框图，如图5所示。这样，VSG的无功环完全模拟了同步发电机的一次调压特性。

从上面的分析可知，VSG的有功环和无功环模拟了同步发电机的特性。VSG的完整控制框图如图6所示。

根据VSG的控制框图得到VSG在s域内的小信号模型，如图7所示。

由VSG工频频域模型可知，VSG控制系统中含有双闭环控制器结构，有功功率控制环与无功功率控制环，电力系统的频率主要是由系统有功功率决定，系统电压是由系统无功功率决定的，所以频率与电压的控制是近似解耦的。

3 基于波动特征参数的VSG协调控制

VSG控制系统中的微分环节是根据偏差的变化速度来产生调节作用的，增大微分控制作用可加快系统的响应速度，使超调量减小，增加系统稳定性。但微分作用对干扰十分敏感，使系统抑制干扰的能力降低。在VSG控制模型中，微分可以被差分所替代，即可以被离散化为输入偏差，由于采样周期很短，所以当偏差变化较慢时和在数值上几乎相等，因此使得基本上为0。这就导致控制算法中的微分作用在离散化后有很大的微分死区，微分作用实际参与调节的范围较小，影响了调节的效果。

波动特征参数控制法和常规控制方法相比在结构上又增加了两个微分通道。三个微分通道的结构相同，但三个通道的采样周期不同，三个通道的采样周期分别为20ms、100ms、200ms。两个通道以偏差变化速度值来切换。

通道一：当>x时，J=0.05kg·m2；

通道二：当y时，J=0.1kg·m2；

通道三：当时，J=0.15kg·m2。

式中，表示当前控制目标的变化率，通过跟踪的变化率调整惯性常数J的值，

根据上述惯性常数J的调整规则，就可以实现VSG控制系统精确控制。

4 仿真与分析

为了验证波动特征参数优化设计的正确性，在实验室搭建了一台100kW的并网逆变器原理样机，图8、图9、图10采用不同惯性常数的动态实验波形的实验波形。

同步逆变器参与配网调节时对于电网电压频率的变化不会快速的改变其输出功率，从而在一定程度上支撑电网电压的稳定。图4.13显示了电网电压频率下降0.5Hz，输出有功功率的动态性能随着惯性系数J增加的变化情况。

由图8～10可以得到当系统惯性系数J由0.05变化到0.15时，系统的动态调节时间由0.1s变化至0.75s，超调量由15%变化至78%。可以看出系统的惯性存在且随着惯性系数J的增加而增加。同时可以发现随着惯性系数J的增大，逆变器输出有功功率的震荡越发严重，因此通过文章提出的根据电网频率波动的动态特性进行惯性自适应控制可以提高系统的稳定性。5 結束语

文章介绍了VSG模拟了同步发电机的惯性，一次调频特性和一次调压特性，建立VSG的控制模型，并利用波动参数方法对VSG的控制模型进行设计、控制，并进行了实验验证，实验结果证明了文章理论分析的正确性与设计方法的有效性，对虚拟同步发电机控制参数的设计具有一定的指导意义。

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