虛擬同步發電機及其在獨立型微電網中的應用*

占偉強, 吳振興, 邢鵬翔, 周 亮

(1. 海軍工程大學 艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室,湖北 武漢 430033； 2. 武漢大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430072)

虛擬同步發電機及其在獨立型微電網中的應用*

占偉強1, 吳振興1, 邢鵬翔2, 周 亮1

(1. 海軍工程大學 艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室,湖北 武漢 430033； 2. 武漢大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430072)

針對獨立分布式發電系統設計了一種基于同步發電機功角特性的虛擬同步發電機控制策略，使逆變器能以電壓源形式與柴油發電機并聯組網。所設計的控制策略實現了逆變器對電網的無縫投切，逆變器在并網運行時能根據指令調節有功輸出。突加、突減負載時逆變器能迅速響應需求輸出功率，有效地減小了微電網電壓幅值和頻率波動。當微電網中柴油發電機停機時逆變器能獨立支撐微電網的電壓和頻率，使微電網電壓和電流平穩過渡。最后通過MATLAB/Simulink仿真驗證了所設計控制策略的有效性。

并網逆變器；柴油發電機；虛擬同步發電機；微電網

0 引 言

隨著國家經濟的發展，近幾年逐漸加大了對海島和偏遠山區的開發力度，這些地區的能源供應問題成為研究熱點。由于遠離居民聚集區，所以線路鋪設及運行維護難度較大，采用聯網供電方式經濟效益較低。較為可行的電力供應解決方案是以新能源開發為核心，構建風、光、柴、儲互補獨立型微電網[1-3]。

現有的風光柴儲發電系統組網模式大致分為兩種：一種是結合儲能裝置將風光能源經變流器轉換后以電流源的形式并網，由柴油發電機為系統提供電壓和頻率支撐。這種模式的缺點是在光照和風能充足的時間段也至少需要保留一臺柴油發電機處于開機狀態，清潔能源不能實現最大利用率，造成了極大的資源浪費。另一種組網模式是在風光儲能源充足時，改變逆變器的控制策略，在文獻[4-5]中作者提出逆變器在并網運行時采用電流控制模式，獨立運行時采用電壓控制模式。但是文獻[6]中指出，控制器在電壓控制和電流控制2種模式間切換時，會導致輸出結果出現偏差，容易造成暫態沖擊。實際上，當電網電壓頻率均由柴油發電機支撐時，由于柴油發電機缺乏足夠的慣性，在負載大幅波動時，容易造成電網電壓和頻率波動過大[7-9]。除此之外，以上兩種組網模式均沒有考慮實際運行過程中柴油發電機可能出現故障的情況。當電網電壓和頻率均由柴油發電機支撐時，柴油發電機一旦發生故障停機，發電系統將無法運行，容易造成安全事故。因此需要尋求新的解決方法，使逆變器能以電壓源的形式在微電網中運行，為電網提供電壓和頻率支撐。

虛擬同步發電機(Virtual Synchronous Generator,VSG)技術是近年來研究的熱點[10-13]。目前大多數VSG技術都是基于有功頻率下垂控制方法[14-16]，定義ΔP=kΔf，其中ΔP和Δf分別為有功和頻率的變化量，k為有功頻率下垂系數。原理是根據頻率的波動來調節有功的輸出。該方法較為機械，首先，在負載變化時輸出頻率會發生偏移，使系統頻率尤其是獨立運行時的分布式發電系統頻率不穩定。其次，在多臺逆變器并聯時，該方法根據下垂系數k及發電裝置容量來分配負荷功率，多機協同出力，難度較大。針對以上問題，文獻[17]提出在微電網孤島運行時，將VSG分為非調頻發電單元和調頻發電單元，前者按照功率調度指令發電并參與一次調頻，后者為微電網提供電壓參考并利用二次調頻實現頻率誤差控制。但是文中所提調頻方法較為復雜，實現過程需多機協調運行。文獻[18-19]提出自適應調節下垂系數來保持逆變器輸出功率恒定，但該方法控制不夠準確，且下垂系數影響系統的動態特性和穩定性[20]，確定后不宜進行改變。文獻[21]中搭建了小型微電網，設計的VSG控制策略在功率調節、電網支撐及微電網并/離網模式下的無縫切換都表現出很好的響應特性。但是所設計控制策略并沒有考慮實際微電網發電系統中存在柴油發電機的情況，即多個不同類型電壓源同時存在對微電網運行的影響。

本文針對以上問題，結合電力電子器件的“快”和同步發電機的“慢”，設計了一種基于同步發電機功角特性的VSG控制策略，通過實時改變逆變器的輸出功率角來調節輸出功率，達到頻率無差控制的同時，實現了逆變器以電壓源形式并入存在柴油發電機的微電網。通過仿真試驗驗證了所設計控制策略在功率調節、負載波動及柴油發電機突發故障情況下均表現出很好的響應特性，有效地改善了獨立分布式發電系統的電能質量。

1 控制原理

1. 1 功頻控制器設計原理

當微電網中存在兩個不同類型的電壓源，穩定運行時二者輸出頻率必須一致。因為逆變器在系統中要起到實時調節功率輸出改變清潔能源占比的作用，在調節輸出功率占比的過程中，不同電壓源的有功頻率變化是相反的，因此傳統基于有功頻率下垂的控制策略并不適用。逆變器需采用頻率無差控制策略，即在保證自身頻率穩定的情況下具有對電網頻率的追隨調節能力。

在同步發電機中存在式(1)關系:

(1)

P1為輸入機械功率，P2為機械損耗、鐵耗和附加損耗之和。E0為發電機機端電壓，U為電網電壓，Xt為同步發電機電抗，m為同步發電機相數。保持E0不變，視電網電壓U和同步電抗Xt為不變量時，同步發電機的電磁功率Pem可單一由功率角θ作為基本量來表示。

圖1為同步發電機輸出電磁功率與功率角θ之間的關系，隨著功率角θ的變化，輸出功率Pem也呈現規律性變化[22]。

圖1 同步發電機功角關系

由以上分析可知，要增加同步發電機的輸出功率，就必須增加原動機的輸入功率，使電機的功率角θ增大。根據同步發電機的這一特性設計逆變器的功頻控制器。圖2為控制器原理框圖。

圖2 模擬功頻控制器結構圖

參照柴油發電機的控制器設置了模擬調速器。模擬調速器可由PI控制器代替，達到對系統頻率的無差跟蹤。圖2中ωN為給定角速度，ω為實際輸出轉速。Δω為并網運行時微電網中柴油發電機輸出頻率與逆變器輸出頻率差，使逆變器具有對同步發電機頻率的追蹤能力。Pm為模擬輸出機械功率，P為輸入功率，P=Pe+Pn，Pe為機端反饋的有功功率，Pn為輸入有功指令，SN為逆變器容量。J為慣性系數，使并網逆變器在功頻動態過程中具有與同步發電機類似的慣性特性。D為阻尼系數，使得并網逆變器型發電裝置存在阻尼電網功頻振蕩的能力。圖2中存在以下關系式：

(2)

(3)

(4)

式中:k——慣性和阻尼環節影響因子，因慣性和阻尼環節不是研究重點，這里簡化處理；

p——微分算子；

a、b——比例系數和積分系數。

由式(2)可知，當輸出功率增大時，P增大，此時模擬機械功率Pm來不及反應，由式(3)可知ω會減小。當ω減小時，ωN-ω產生的差值會增大，通過比例積分環節使模擬輸入的機械功率Pm增大，通過式(3)關系改變ω，使系統再次達到平衡，以實現通過調節逆變器輸出功率角來達到調節有功輸出的目的。這與同步發電機功角關系是一致的。當系統中ωN-ω不再產生差值時，系統頻率會穩定在ωN(并網時ωN+Δω)，實現了對逆變器頻率的無差控制。頻率無差控制除了能將系統頻率穩定在設定值外，另一個優點是當系統因為突加、突減負載引起頻率波動時，逆變器能通過調節有功輸出來穩定系統電壓頻率。在仿真試驗中這一點得到了體現。

1. 2 勵磁控制器設計原理

同步發電機通過調節勵磁來調節其無功輸出及機端電壓。類似地，可以通過調節VSG模型的虛擬電勢E來調節機端電壓。

如圖3所示，VSG的虛擬電勢指令E由3部分組成：逆變器空載電勢E0，機端電壓調節單元的輸出ΔEU，無功功率調節的部分ΔEQ。

圖3 模擬勵磁控制器結構圖

其中ΔEU可表示為

式中：ku——電壓調節系數；UN、U——并網逆變器機端電壓有效值的指令值和真實值。

ΔEQ可表示為

式中：kq——無功調節系數；QN——并網逆變器的無功指令；Q——逆變器機端輸出的瞬時無功功率值。

由上文可得VSG的電勢為E=E0+ΔEU+ΔEQ，進而，結合功頻控制器生成的輸出相角，可得VSG生成的電壓向量為

(5)

為增強輸出電壓的穩定性，設計了圖4的機端電壓控制系統，合成電壓Uabc經dq解耦后進入機端電壓穩定系統。

圖4 機端電壓控制系統

圖4中umref為系統穩定工作時反饋機端電壓的參考幅值；Um為機端電壓輸入幅值，由Uabc經dq解耦后得到的ud和uq計算得到；idref和iqref分別為d和q軸電流參考值，L為LCL濾波器的等值電感。系統運行時通過dq解耦的電壓電流雙閉環控制有利于減輕勵磁控制器控制壓力，同時有助于增強機端電壓的穩定性。

1. 3 模擬準同期并列裝置

借鑒傳統同步發電機準同期并列裝置的原理，設計了模擬準同期并列裝置，如圖5所示。

圖5 模擬準同期并列裝置

在逆變器向微電網投切時通過鎖相環實時跟蹤兩者電壓和頻率，根據電網的電壓和頻率來調整逆變器的輸出電壓和頻率，此時逆變器輸出頻率變為ωN+Δω(Δω為逆變器輸出電壓和電網電壓頻率差)，電壓幅值E0和UN切換為電網電壓幅值，調整逆變器輸出電壓幅值和頻率后，將逆變器輸出電壓和微電網電壓的相位差經PI調節器后送入功率指令Pn，通過功率指令擾動調節輸出電壓的相位，使得逆變器輸出的電壓相位和電網一致。當頻率差、電壓差和相位差都滿足并網要求時，模擬準同期并列裝置向公共連接點處發出合閘信號，完成合閘操作，實現逆變器的并網。

2 仿真分析和試驗結果

為驗證所提VSG控制策略的有效性，在MATLAB中搭建500 kW逆變器和800 kW柴油發電機組成的微電網仿真試驗平臺。試驗平臺結構如圖6所示。

圖6 試驗系統結構圖

表1為逆變器的相關控制參數，電壓幅值E0和參考電壓指令UN按照柴油發電機空載時的輸出電壓來設計。VSG的慣性時間常數為5 s，柴油發電機模型的慣性時間常數為2 s，設計恢復穩定的時間遲于柴油發電機，有助于逆變器跟蹤柴油發電機的輸出頻率。

表1 系統參數

圖7 電網電壓幅值波形

圖8 逆變器功率電流波形

圖9 柴油發電機功率電流波形

起動時同步發電機帶載400 kW，逆變器空載。在10 s時起動逆變器并聯投切程序，模擬準同期并列裝置開始工作，在17.8 s時達到并網條件，控制開關合閘，逆變器正式并入電網。從圖7并網點電壓幅值波形以及圖8逆變器和圖9柴油發電機輸出功率電流波形中可以看出，并網過程中并網點電壓幅值，以及逆變器和柴油發電機的輸出功率和電流都沒有大的波動，實現了平滑過渡，表明了所設計的并聯投切策略的有效性。在22 s時，給逆變器下達功率指令，使逆變器輸出有功功率200 kW，如圖8所示，逆變器輸出電流逐漸增大，負載功率逐漸轉移到逆變器的輸出上。如圖9所示，隨著逆變器輸出功率增加，柴油發電機輸出功率逐漸減小，整個過程中電壓幅值波動較小，電流過渡平穩。驗證了所提控制算法可以很好地跟蹤有功指令調節功率輸出。這表明在獨立運行的分布式發電系統中可以通過逆變裝置實時調整清潔能源的占比，實現清潔能源的最大利用率。

逆變器以電壓源形式在獨立型微電網運行的最大優勢是在負載變化時，逆變器能利用電力電子器件“快”的特性結合儲能裝置迅速響應負載需求輸出有功功率，減小負載對電網的沖擊。通過圖10有功、無功試驗波形可以看出，在31 s突加100 kW負載時，逆變器分擔了93 kW，幾乎承擔了全部的新增功率，突卸負載時也是由逆變器來響應負載變化，維持系統功率平衡。為驗證這一控制策略具有改善電網電能質量的特性，將試驗平臺中的逆變器替換為800 kW柴油發電機，用2臺800 kW柴油發電機并聯做負載突加、突減試驗。

圖10 突加、突減負載試驗波形

從圖10微電網電壓幅值和頻率波形對比中可以看出，逆變器與柴油發電機并聯情況下，電壓幅值波動在±3 V以內，而2臺柴油發電機并聯時，幅值波動達到±5 V；在頻率波形圖對比中也可以看出逆變器與柴油發電機并聯時，輸出頻率波動在0.15 Hz以內，而2臺柴油發電機并聯時則達到0.2 Hz。試驗過程中，存在逆變器的微電網電壓幅值和頻率達到穩定所用的時間更短，驗證了VSG可迅速響應負載變化，減小電壓和頻率波動，增強微電網的穩定性。除此之外，現有的柴油發電機在突加、突減負載時難以做到頻率無差控制，負載變化由逆變器承擔使柴油發電機的輸出頻率幾乎不變，而逆變器可以快速調整輸出頻率，保證自身輸出頻率與柴油發電機一致。

為驗證逆變器能獨立支撐微電網的電壓和頻率，在39 s時將柴油發電機切出微電網，從圖11試驗波形可以看出逆變器在1 s內完成調整，獨立承擔了整個微電網的輸出功率。切換過程中，電壓幅值雖有跌落但很快恢復穩定，達到了獨立支撐電網電壓的目的；電流緩慢上升，并沒有對系統造成沖擊；頻率在經歷短暫波動后在2 s內達到穩定，發電系統實現平穩過渡。表明了所設計控制策略能使逆變器在微電網中柴油發電機突發故障的情況下獨立支撐起微電網的電壓和頻率。

圖11 逆變器獨立運行試驗波形

3 結 語

本文基于VSG技術，設計了一種適用于獨立分布式發電系統的并網逆變器控制策略，并通過仿真驗證了所提控制策略有效性，得到以下結論：

(1) 實現了逆變器以電壓源方式接入有柴油發電機運行的微電網。逆變器能根據指令調節功率輸出，實時改變逆變器輸出功率的占比。

(2) 在負載變化時，逆變器能利用電力電子器件的優點,迅速響應負載需求調整功率輸出，補充電網所需負荷，有效地減小了電網電壓幅值和頻率的波動。

(3) 在柴油發電機停機時，逆變器能獨立支撐電網的電壓和頻率，使系統保持平穩運行，增強了獨立型微電網運行的可靠性。

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Virtual Synchronous Generator and Its Applications in Independent Microgrid*

ZHANWeiqiang1,WUZhenxing1,XINGPengxiang2,ZHOUliang1

(1. National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Aim to the independent distributed power generation system, a virtual synchronous generator control strategy based on the power angle characteristic of synchronous generator was designed. The inverter could run in the form of voltage source with the diesel generator in parallel. The designed control strategy realized the seamless switching of inverter to micro grid. When in operation, the inverter could both adjust the active output power according to the instruction and respond to the power demand quickly when the load was changed. The control strategy could effectively reduce the fluctuation of voltage amplitude and frequency of the micro grid. The voltage and frequency could be independently supported by the inverter when the diesel generator shut down in microgrid, ensure the micro power grid running smoothly. At last, through the MATLAB/Simulink simulation verified the effectiveness of the designed control strategy.

grid connected inverter; diesel generator; virtual synchronous generator; microgrid

國家自然科學基金項目(51490681);國家973計劃項目(2012CB15103)

占偉強(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為微電網發電。 吳振興(1982—)，男，博士研究生，副研究員，研究方向為新能源發電和高壓變頻器。 邢鵬翔(1990—)，男，博士研究生，研究方向為微電網應用。 周 亮(1985—)，男，博士研究生，研究方向為光伏并網逆變器。

TM 614

A

1673-6540(2017)04- 0014- 06

2016 -09 -20