基于虛擬同步發電機的風力發電研究

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450000)

0 引言

如今，新能源的發展勢不可擋，清潔且可再生不僅對環境友好，也可以滿足日益增長的用電需求。風能、太陽能等清潔能源的應用與發展也越來越受到人們的廣泛關注[1，2]。目前，順應需求，分布式發電正在大力發展，風光儲相結合形成的微電網分布越來越廣泛。分布式能源既可以并網運行，也可以進行孤島運行，可以實現“即插即用，友好并網”[3，4]。

我國正在大力推動新能源的發展，并網風電裝機總容量正在逐年增加，風電場的建設已經逐步完善。1座風電場的裝機容量至少在50 MW左右，而分布式風力發電機裝機容量大概在1.5 MW，遠遠小于風電場的裝機容量。而大功率的風電并入電網會造成瞬間的沖擊，不僅影響電網的頻率穩定，也會造成諧波污染。

同步發電機對電網因為其慣性使得當用電功率發生突然變化時，系統的頻率不會立刻減小，而是由轉子的動能轉化為機械能從而減緩頻率的變化速度。為此，國內外學者提出了虛擬同步發電機技術，可以使并網逆變器模擬同步發電機的運行機理[5-7]。

文獻[8]重點研究了基于VSG控制算法的分布式電源工作在孤島模式的情況，并對微電網中的虛擬慣性實現做了簡單的說明。文獻[9]設計的虛擬同步發電機控制算法，通過對比實際同步發電機的運行機理，構造了對底層結構的控制，外環控制中針對有功控制環和無功控制環分別加入了類似調速器和電壓調節器，并對鎖相環進行了研究，但是該控制算法中的頻率調節器和電壓調節器均是采用一階延遲環節來代替的，該簡化并不能準確地反映出實際同步發電機的轉子特性和勵磁調節特性，并且采用該控制算法使得分布式電源工作在自治模式時較為困難和復雜。

為了使風電機組或風電場具備更優秀的功頻特性從而減小其并網以及運行時對電網的干擾，國內外學者們開展了大量研究。比較常見的方法是通過調整改變對風電機組控制策略，使其模擬同步發電機的頻率響應特性，來使有大量電力電子設備參與發電的新能源發電系統也擁有一定慣性。本文從VSG的原理、與儲能的配合以及安裝方式進行綜述、分析和展望，并且簡單研究了其對增減風機數量的影響。

1 VSG原理及模型

1.1 VSG原理

VSG本質是通過控制逆變器模擬同步發電機的工作原理，從而獲得類似同步發電機的運行特性。其原理圖見圖1。

圖1 VSG原理示意圖

圖1中，Pmea、Qmea分別為有功功率及無功功率的測量值；θ、f分別為鎖相環(Phase Locked Loop，PLL)鎖出的角度及頻率；ma、mb、mc為三相調制信號。由圖可知VSG主要包括主電路和控制結構，主電路就是傳統的并網逆變器與并網環節。其中前者包括直流電壓源、并網逆變器以及濾波電路，后者包括VSG本體模型與控制算法。本體模型主要是從運行機制上模擬同步發電機的電磁方程與機械方程，而控制算法主要是從外特性上模擬同步發電機的調速器與調頻器。

1.2 VSG數學模型

VSG控制就是在傳統的并網逆變器控制中加入同步發電機的數學模型，目前已經有二階、三階和四階模型正在研究[10]。本文采用的是同步發電機經典的二階數學模型。

(1)

(2)

(3)

其中w為同步發電機的角速度，w0為額定角速度，PT為原動機的機械功率，Pe為同步發電機的電磁功率，D為阻尼系數，θ為電角度。

2 風電場并網結構及控制

2.1 系統結構

風電場的風機分布受環境和地理位置影響較大，多建立在山區的迎風坡或像內蒙古草原這樣地勢開闊、風能資源豐富的地區。傳統風電場都會選擇距離負荷較近的區域，且因風能的不確定性，電能大多就近消耗且大都供給于非中心負荷。

風力發電機組采用直驅永磁同步發電機組，由風機、永磁同步發電機(PMSG)、機側變流器以及網側變流器組成。機組通過對2個逆變器的雙PWM變流器的控制，實現風能的最大功率跟蹤(MPPT)，以充分利用風力資源，提高風能利用率。在風電場出口并網處配置儲能系統，相比于在直流側或每臺風機單獨配置儲能系統，其減少了一級能量變換，降低了系統的復雜程度，經濟性更好，并便于集中控制。通過對并網側逆變器的控制，使風電場與儲能系統有機結合，協同作用等效為一臺虛擬同步發電機，可以更加穩定的向電網輸送電能。

圖2為系統的結構示意圖。

圖2 系統結構示意圖

風電場與VSG相結合，利用儲能與VSG控制使風電場輸出的電能質量提高，使得電壓、頻率和波形都可以達到并網標準，減少棄風行為增加了可再生能源的利用率。

2.2 系統控制方法

系統的控制主要是指對并網逆變器的控制。逆變電源的外環控制方法主要有幾種。

2.2.1 恒功率控制，也即PQ控制

優點：最大化利用新能源，能實現有功、無功解耦跟蹤。

缺點：無調頻控制，當系統頻率出現波動時，其輸出有功功率同樣會產生波動。

2.2.2 恒電壓—頻率控制，又稱v-f控制

優點：當系統運行在孤島模式下時，可提供穩定的輸出功率與電壓。

缺點：工作范圍有限，只在一定范圍內適用。

2.2.3 下垂控制

優點：響應迅速，控制簡單，可以根據系統運行狀態做出調整。

缺點：只是模擬了同步發電機的下垂外特性，與同步發電機實際的運行特性還有差距。

VSG控制則是在下垂控制的基礎上添加了內環控制，使得虛擬同步發電機具有同步發電機的電磁特性與機械特性。以下為VSG的控制框圖(見圖3)。

圖3 有功-頻率控制框圖

圖中Pe為有功功率的測量值，Pref為設定的參考值，D為阻尼系數，J為轉動慣量，w為角頻率。

VSG的有功—頻率控制實際上是模擬同步發電機的調速器，用以體現有功功率和系統頻率的下垂特性。有功—頻率控制通過采集功率差值ΔP來控制虛擬機械轉矩輸出從而調節系統頻率，并采用VSG阻尼系數D來描述頻率發生單位變化時的輸出功率變化量。選擇合適的參數就顯得尤為重要，可以通過容量以及波動來近似得到參數大小。

在上面的相關參數中，下垂系數D在選擇時與傳統的下垂控制算法相似，值過小會影響有功功率的調節精度；值過大會對系統的穩定性產生不利影響。因此，在阻尼系數的選擇上既要考慮有功功率調節的精度，又要考慮風電并網系統的穩定性。

圖4 無功-電壓控制框圖

圖4中Qref為設定的參考無功值，Qe為測量的實時無功值，Uref為設定的參考電壓值，km為電壓調整系數。

VSG的無功-電壓控制是為了模擬同步發電機的勵磁調節功能，用以實現無功功率和電壓幅值的下垂特性。無功-電壓控制主要根據VSG所測得的輸出電壓幅值偏差ΔU與無功功率差額ΔQ調整輸出電壓，并采用電壓調整系數km來表示電壓調節的能力。其原理與有功-頻率控制類似，大致模擬了調節的方向，但是調節的精度還有待提高。

3 系統仿真驗證

ATLAB/SIMULINK平臺上搭建了風電場并網的仿真模型來進行驗證。具體參數如下。

1)每臺風機的額定容量6 kW，額定風速為9 m/s，儲能電池容量為3 kVA。

2)虛擬同步發電機參數為：J=0.05 kg·m2，Rs=0.001 Ω，Xs=0.025 Ω。電力電子元件參數十分靈活，可以視具體情況進行調整。濾波電感L=25 mH，濾波電容C=60 μF，線路電阻R=0.02 Ω。

在圖5中，圖5(a)為風速波動圖形，如圖所示，在t=0.5 s時和t=0.8 s時分別給定一個波動。0.5 s時峰值為1 m/s，波動幅度大約為11%。時長為0.2 s的波動；0.8 s時峰值為1.2 m/s，時長為0.2 s的波動。波動幅度大約為13%。

圖5(b)為在該風速下的風機的輸出功率，從圖中可以看出，在0.5～0.7 s風速波動時，功率波動最大達到1 500 W左右，波動幅度約為25%；而在0.8～1.0 s風速波動時，功率波動最大達到2 000 W，波動幅度達到33%。(a)(b)兩圖對比可以看出，風速對風機輸出功率的影響十分顯著，當風速有很小的變化時，輸出功率的波動非常大。如果不加以調控，直接輸入電網，將會對電網造成干擾，使頻率發生變化影響整個系統的用電質量。

圖5(c)中，藍色線為風機在隨機風速中輸出的有功功率；黃色線為虛擬同步發電機根據風機輸出功率進行功率平抑；紅色線為整個風機-虛擬同步發電機系統向電網的輸送功率。由圖可以看出，當有虛擬同步發電機參與功率平抑后，系統向電網輸送的功率更加平滑，波動較小，對電網造成的沖擊小，并且對并網造成的頻率波動影響較小。

圖5 各輸出功率

4 結論與展望

大量的新能源發電電源接入對電網來說是一個新的挑戰，新能源發電需要借助大量電力電子元件，會降低整個電網的慣性并增加諧波污染。基于同步發電機原理所研究的VSG技術很好的模擬了同步發電機的特性，增加了網絡的慣性，但是對諧波卻不能起到很好的抑制作用，這也是今后的研究重點。