光伏并網逆變器的虛擬同步發電機控制策略

胡 平，任俊道

（1.陜西工業職業技術學院 電氣工程學院，咸陽 712000；2.長安大學 電子與控制工程學院，西安 710061）

如今，隨著新能源的不斷發展，分布式電源發電正在逐步增加，新能源發電的核心部分即為逆變器，逆變器內部的主要結構是以電力電子器件為主導的開關，其反復的通斷將給電網帶來諧波干擾，隨著大量的光伏發電和風力發電并入到大電網，意味著許多同步發電機將被電力電子器件所取代。分布式電源的頻率、幅值與電網相比存在一定差異，隨著越來越多的以電力電子器件為核心的逆變器并入到電網，由于其頻率高，缺少傳統發電機所具有的慣性和阻尼的特點，因而容易受到頻率波動的影響，其勢必給電網帶來威脅。

基于上述問題，若使得逆變器的輸出具有同步發電機所具有特性必然能夠提高含并網逆變器的分布式發電系統和微電網的運行性能。文獻[1]提出了具有同步機內部機理和外部特性的逆變器控制技術，從而為智能微電網提供了一個友好的接口機制，文獻[2]提出了虛擬同步發電機的儲能系統的設計，并對系統的參數的設計整定提出了一套完整的算法，文獻[3]提出了自動調壓器的概念，其思想是簡化系統無功和電壓的下垂特性關系。

本文從并網逆變器和同步發電機等效對應的角度出發，研究了下垂控制以及引入轉動慣量的虛擬同步發電機控制策略，通過對比驗證，總結得出虛擬轉動慣量在逆變器并網控制中所提供的慣性作用。最后通過仿真驗證了控制策略在電網電壓/頻率調節中的有效性和可行性。

1 下垂控制

下垂控制利用分布式電源的接口輸出特性進行控制，即系統的有功輸出與頻率呈負相關關系，系統的無功輸出與電壓呈負相關關系。該控制方法由于具有不需要分布式電源之間通信聯系就能實施控制的潛力，所以一般用于對等控制策略中的分布式電源接口逆變器的控制?？刂圃矸匠虨?/p>

控制原理如圖1所示。

圖1 下垂控制特性原理Fig.1 Principle of droop control characteristics

下垂控制的并網結構如圖2所示，L，C分別為濾波電容和電感，通過采集PCC點的電流電壓，送入功率計算模塊，然后分別進行f-P和U-Q下垂特性運算合成參考電壓然后送入PWM控制器當中[4]。

圖2 下垂控制策略Fig.2 Droop control strategy

2 虛擬同步發電機（VSG）控制

2.1 VSG控制原理

本文將同步發電機的特性方程引入到逆變器的控制算法流程中，系統設計參照同步發電機的主要特性而成，從而實現整個系統的同步發電機特性[5]。VSG由系統主拓撲電路和控制電路兩部分組成，原理如圖3所示。主電路采用電壓型逆變器，Udc為主流電源，L為濾波電容，C為濾波電感，Lg為逆變側與電網的連接電感。

圖3 虛擬同步發電機控制策略Fig.3 VSG control strategy

2.2 虛擬同步發電機數學模型

同步發電機結構復雜，不同階數下的模型有著很大的差異，本文為研究方便，采用二階模型，其結構如圖4所示。

圖4 同步發電機的二階模型Fig.4 Second-order model of synchronous generator

同步發電機二階模型的定子電壓方程以及轉子機械方程如式（3）、式（4）所示[6]：

定子方程：

轉子機械方程：

在系統設計中，取極對數p=1，則上式轉變為

式中：E0為勵磁電動勢；U為電樞端電壓；I為電樞電流；Ra為電樞電阻；Xs為同步電抗；J為轉動慣量；Ω為機械角速度；MT為機械轉矩；Me為電磁轉矩。

2.3 虛擬同步發電機控制器設計

控制電路包括虛擬同步機算法單元和控制器兩部分，其中控制器又包括有功-頻率控制器和無功-電壓控制器[7]。

2.3.1 有功/頻率控制器的設計

圖5中，fref代表VSG系統額定頻率；f為系統運行時的實際功率；Pn代表VSG額定頻率下輸出的有功值，Pt即為得到的有功輸出值。

圖5 有功/頻率控制器Fig.5 P/f controller

2.3.2 無功/電壓控制器的設計

圖6中，Qref代表VSG額定無功值；Q為系統實際實際輸出的無功功率；K為比例系數。將所得的電壓偏離值與額定電壓幅值Un相加得到參考電壓值Uref，然后通過采集的逆變器交流側電壓幅值與參考電壓值作差，得到的結果送入PI控制器，得到VSG調節需要的參數Emag。

圖6 無功/電壓控制器Fig.6 Q/V controller

3 仿真結果分析

對于2種控制策略，在相同條件下，進行負載突增突降實驗仿真。1號負載10 kW始終投入，在0.2 s時投入2號負載5 kW，在0.4 s時切除，觀察各個參數變化如圖7～圖11所示。

圖7 兩種控制策略下系統頻率變化Fig.7 System frequency change under two control strategies

圖8 兩種控制策略下系統有功功率變化Fig.8 System active power change under two control strategies

圖9 兩種控制策略下系統無功功率變化Fig.9 System reactive power change under two control strategies

圖10 兩種控制策略下系統電流變化Fig.10 System current change under two control strategies

由實驗結果，圖7表示了在負荷突增突降時，系統的頻率變化，通過對比可知，在下垂控制中，負荷變化導致的頻率變化是瞬時的，沒有緩沖過程，這在大量的分布式電源并入電網中時，會給電網帶來較大的威脅，而采用VSG技術則體現了轉動慣量在負荷波動時所起到的作用；圖8則體現了系統有功的變化規律，可見兩種控制策略都能夠起到有功-頻率的調節作用，但引入虛擬轉動慣量的控制策略中，有功功率的變化更為平緩，體現了轉動慣量的緩沖作用。圖10、圖11則為系統的電流電壓變化曲線，電流在負載變化時均有響應，但在下垂控制策略下，在負載突增的瞬間，電流存在畸變，而采用VSG控制策略電流的變化則較為平穩；而電壓在負載變化時曲線均平穩，說明了兩種控制策略的可行性。

4 結語

通過實驗結果可知，下垂控制以及虛擬同步發電機控制技術都能夠起到隨著負荷的變化調壓調頻的作用，但相比于下垂控制對于頻率調節的瞬時性，虛擬同步發電機技術則更體現了它的慣性作用和阻尼性，使得頻率能夠平穩過渡，從而保障了電網的安全以及穩定運行。