基于電網接口虛擬同步發電機的控制方法研究

李治中，哈立原

（錫林郭勒職業學院信息技術工程系，內蒙古錫林浩特026000）

基于電網接口虛擬同步發電機的控制方法研究

李治中*，哈立原

（錫林郭勒職業學院信息技術工程系，內蒙古錫林浩特026000）

隨著風電裝備的大規模普及，作為風電系統接入電網的關鍵接口，并網逆變裝置對電網系統的影響越來越顯著。本文基于同步發電機數學模型，提出一種基于虛擬同步發電機原理VSG（Virtual Synchronous Generator）的等效功率平抑及頻率補償方法，通過110 kw風力發電機組的試驗樣機對該方法的有效性進行了試驗驗證，結果表明：虛擬同步發電機控制技術使得電網接口具有與同步發電機相同的優良控制性能，為電網系統提供穩定的慣性和阻尼，提高大規模風電并網系統的穩定性。

風電系統；虛擬同步發電機；功率平抑；頻率補償；電網接口

隨著國家對環保節能要求的不斷提高，各行各業都在進行節能減排［1-2］，作為新興的綠色節能產業，風力發電技術產業在世界范圍內得到了廣泛應用［3］。

為了促進風電系統的大規模普及，各國學者針對電網接口的靜動態性能，展開大量研究，提出多種基于現代控制理論的控制策略，諸如間接和直接電流控制、直接功率控制以及模型預測控制等的控制策略［4-6］。雖然學者提出了多種接口控制方案，但仍然無法滿足快速增長的智能化電網的需求。并網逆變裝置以電力電子器件為核心部件，雖然對于風力發電系統的系統負荷功率需求能夠快速響應，但缺少傳統同步發電機的慣性和阻尼特性，容易導致電網系統出現失穩，并且無法主動管理配電網［7］。

基于上述問題，本文借鑒傳統電力系統同步發電機的唯一頻率特性，融合電源、電網、負荷三者之間的同步機制消除外界干擾，給出一種大規模風電裝備VSG等效功率平抑及頻率補償方法，并基于110 kW的風力發電機組對本方法進行了試驗驗證分析。

1　電網接口虛擬同步發電機模型分析

將電網接口等效為虛擬同步發電機，如圖1所示，虛擬同步發電機是參照同步發電機的二階經典數學模型，模擬同步發電機阻抗大、慣性大、自同步等諸多優點，使逆變電源具有同步發電機的輸出特性，滿足電網的運行要求［8］：

假定勵磁及機械轉矩為恒定，以標幺值表示的同步發電機二階經典模型如下所示：

式中：Ud為定子端電壓的d軸分量；Uq為q軸定子端電壓；id為d軸定子電流；iq為q軸定子電流；Ed為定子d軸瞬變電動勢；Eq為定子q軸瞬變電動勢；ra為定子各相繞組的電阻；Xq為q軸瞬變電抗；Xd為d軸瞬變電抗；Tm為機械轉矩；Te為電磁轉矩；D為定常阻尼系數；ω為同步電角速度；Tj為機組慣量時間常數；δ為q軸與xy坐標系中x軸之間的夾角。

式（1）中的電壓方程和轉矩方程分別表示同步發電機中定子的電氣特性和轉子的機械特性。假定Ed、Eq為常數，并忽略暫態凸極效應，即令：

則可將上式中的電壓方程化為dq坐標下的復數量，即：

由式（1）、式（3）可得，電網接口電壓方程與同步電機定子端電壓方程大致相同，將圖1中電網接口的電路特性參數等效為同步發電機的電路特性參數，圖1為相應的虛擬同步發電機等效模型。

圖1　虛擬同步發電機等效模型

結合式（1）可以得到同步發電機轉子運動方程如式（4）所示［9］：

式中：Tm為同步發電機機械轉矩；Te為電磁轉矩；Pm為同步發電機機械功率；Pe為同步發電機電磁功率；ω為同步發電機電氣角速度；ωN為電網同步角速度；δ為同步發電機功角；J為同步發電機轉動慣量。

2　電網接口虛擬同步發電機控制

為了實現電網接口與電網的主動交互，根據電網的頻率、電壓調節其電網系統的有功和無功功率，本文提出VSG控制模型，用于大規模風電系統電網接口。虛擬同步發電機的控制原理如圖2所示。

圖2　虛擬同步發電機控制原理框圖

2.1虛擬調速器

由于VSG采用算法模擬同步發電機的特性，沒有調速器等機械裝置，在設計虛擬調速器時，需要借鑒發電機調速器原理為原則?；趥鹘y的電力系統同步發電機頻率-有功功率的調節原理，確保電網系統有功功率和有功負荷的合理分配，同時將頻率維持在正常范圍內。圖3為電網接口虛擬同步發電機調速器的控制框圖。

圖3　虛擬調速器控制框圖

由VSG調速器控制框圖可知：

式中：ωref為VSG的參考頻率，Pref為VSG的調度有功功率，Kω為比例系數。

當系統穩態時，輸入機械功率Pm與輸出電磁功率Pe相等，則：

對比式（5）和式（6）可見，所設計的VSG與同步發電機有著相同的功頻特性。

由式（6）可以得到：

由式（5）～式（7）可以得到帶調速器的VSG功頻特性曲線具有下垂特性，并且帶有功率調度接口，當VSG輸出功率為Pref時，頻率為ωref。曲線斜率為：

工頻特性曲線的斜率只與比例系數Kω有關，通過合理選擇Kω可以很方便的實現負荷有功功率的合理分配。

2.2虛擬勵磁控制

相比于傳統同步發電機通過勵磁控制器調節無功功率輸出和端口電壓，目前的虛擬勵磁系統能夠自動調節虛擬勵磁電流，穩定有效的控制端口電壓和無功功率輸出，提高電網系統的穩定性。圖4為虛擬勵磁控制框圖。

圖4　虛擬勵磁控制框圖

由VSG勵磁調節器控制框圖可以得到：

式中：Uref為VSG的參考電壓，Eok為激磁電動勢，Uok-VSG輸出電壓，UB為額定電壓，ω*為角頻率標幺值，Ke為比例系數。

VSG正常運行時，有ω*=1，則上式可化簡為：

上式即為帶勵磁調節器的VSG的電壓調節特性方程，相應地可以得到曲線圖和定義調差系數，可見VSG具有與同步發電機完全相同的電壓調節特性，如圖5所示。

根據上述分析可知，電網接口采用虛擬同步發電機控制方案在無功功率調節方面完全不同于傳統的控制策略。其在保證無功功率跟蹤的同時，還能參與配電網電壓調節，根據電壓的偏差為其接入的電網提供必要的無功支撐。

圖5　帶勵磁調節器的VSG電壓調節特性

2.3虛擬同步發電機控制技術

如前文所述，電網接口虛擬調速器可滿足風力發電系統負荷有功功率需求，準確響應頻率異常狀況，虛擬勵磁控制可以實時跟蹤無功功率，發送電壓指令響應電壓異常狀況［10］。

基于式（3）、式（5）、式（9）建立電網接口虛擬同步發電機控制模型，包含機械和電氣部分，如圖6所示，其中虛擬同步發電機瞬時有功功率折算得到的虛擬電磁轉矩表達式為：

同步發電機轉子位置角可由機械模型求得：

式中：Δω為角頻率偏差信號。

根據電磁模型和虛擬勵磁控制系統可得到虛擬同步發電機的電流期望值ir和瞬態電動勢Er以及PCC點電壓ug，同時發出電壓和電流的調節指令，滿足電網實時交互以及低諧波和高功率的運行特性。

3　實驗結果與分析

3.1試驗臺結構及參數

為了驗證電網接口虛擬同步發電機控制方案的有效性，本文搭建了圖7所示的仿真試驗臺，圖中各參數如下所示。

圖7　仿真試驗臺

3.1.1試驗系統參數

試驗相關參數如表1所示。

表1　試驗相關參數

3.1.2虛擬預并網同步控制

圖8為虛擬預并網同步控制矢量圖，鎖相環用來實現電網接口的柔性啟動，通過鎖相環可以得到ug空間位置角θg，同時通過控制er的d、q軸分量，使得：

通過式（13），即可實現er對ug的實時跟蹤。

圖8　虛擬預并網同步控制矢量圖

3.2試驗結果分析

通過仿真試驗臺，對虛擬同步發電機的重要特性參數進行測試，得到如下結論：

從圖9（a）中可以看出，隨著負荷的突變，直流母線電壓udc出現小范圍波動，在功率前饋作用下，歷時0.05 s進入穩定狀態。

圖9（b）為突變過程中的電網接口輸出電流，從圖中可以發現，接口電流在慣性和阻尼的雙重作用下變化平緩，大大減輕了負荷對電網的要求。

虛擬同步發電機的電磁和機械功率特性如圖9（c）所示，從圖中可以發現，由于慣性和阻尼的作用，電磁和機械功率變化平緩，作為電網和負荷之間的橋梁，電網接口具有靈活、柔性、穩定等優良特性。

從圖9（d）中可以發現，隨著負荷的變化，電網接口的有功功率能夠快速響應，同時跟隨無功功率指令，提供可靠的功率支撐和無功補償，相應的控制策略為系統提供穩定的阻尼和慣性，使得電網接口具有與同步發電機相同的優良控制性能。

圖9　VSG并網系統試驗結果

4　結論

本文基于虛擬同步發電機原理，提出一種主動調節電網電壓和頻率的大規模風力發電系統電網接口先進控制方法，同時通過110 kW風力發電的試驗樣機對該方法的有效性進行了試驗驗證，得出了如下結論：（1）虛擬同步發電機控制技術具有優良的負荷功率需求特性，提高了大規模風電系統的可靠性。

（2）虛擬同步發電機控制技術使得電網接口具有與同步發電機相同的優良控制性能，同時可為電網系統提供穩定的慣性和阻尼，提高大規模風電并網系統的穩定性。

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李治中（1963-），男，河北張家口市，漢族，碩士，副教授，錫林郭勒職學院信息技術工程系，主要研究方向為物理教學，zhaozhe396@163.com；

哈立原（1964-），男，內蒙古赤峰市，回族，碩士，教授，錫林郭勒職業學院、研究方向為數學教學。

The Research of the Control Method Based on Virtual Synchronous Generator

LI Zhizhong*，HA Liyuan
（Xilingol Vocational College，Information Technology Engineering Department，Xilingguole Inner Mongolia 026000，China）

With the massive popularity of wind power equipment，wind power system as access to key interfaces grid and grid-connected inverter grid system impact means more and more significant.Based on a mathematical model of synchronous generator，proposed an equivalent power of synchronous generator on virtual principles（Virtu?al Synchronous Generator，VSG）of stabilizing and frequency compensation method，the effectiveness of the method prototype test 110 kW wind turbines were experimental verification，the results showed that virtual synchronous generator control technology allows that synchronous generator grid interface has the same excellent control perfor?mance，inertia and damping，provide a stable grid system，and improve the stability of large-scale wind power grid system.

wind turbine systems；virtual synchronous generator；power to stabilize；frequency compensation；grid interface

TM464

A

1005-9490（2016）02-0432-05

EEACC：831010.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.037

2015-08-04修改日期：2015-09-09