基于虛擬同步發電機的微網逆變器控制策略

秦昭朔 張新慧

（山東理工大學電氣與電子工程學院 山東省淄博市 255000）

隨著世界環境污染的日益嚴重和能源危機的不斷加劇，風能、太陽能等可再生清潔能源逐漸受到社會各界的重視。同時，分布式電源因對環境的污染程度較小而被廣泛應用。但分布式電源若直接與電網相連會造成電壓擾動、頻率失調等嚴重后果。微電網在保證供電可靠性和電能質量的情況下，同時還能實現可再生能源的廣泛使用。因此，基于可再生能源的微網技術得到了廣泛的關注[1]。為此，在分析推導同步發電機數學模型的基礎上，針對傳統控制策略模式存在切換復雜的不足，利用虛擬同步發電機(Virtual Synchronous Generator ,VSG)實現對微網逆變器的有效控制。該控制策略不僅能夠實現微網穩定運行，而且可以提高控制精度和跟蹤效果。利用Simulink仿真平臺驗證了該控制策略的應用效果。

1 虛擬同步發電機控制原理分析

VSG根據實際同步發電機的暫態特性實現微網電源大慣性、大輸出感抗的特性，并通過模擬實際同步發電機的調速器和勵磁調節器進一步實現電壓和功率的均分[2]。如圖1所示為虛擬同步發電機控制原理圖。

圖1中，主電路采用傳統的單相橋式電壓型逆變電路，其中Udc為直流電壓源，Li、Ci分別為濾波電感和濾波電容，Lk為虛擬同步發電機與電網直接連接的大電感，其作用是使虛擬同步發電機輸出阻抗呈感性以實現對功率的控制[3]。通過采集并網點處的電壓電流信號送入功率控制器和勵磁控制器中，得到虛擬同步發電機控制算法中所需要的機械功率Pt以及由勵磁控制器得到的勵磁感應電動勢指令E0；通過控制算法得到空間電壓矢量所需要的指令電壓U*，最后通過正弦脈寬調制(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM)算法輸出相應的PWM波，經過驅動電路后對逆變器IGBT的通斷進行控制[4]。至此整個虛擬同步發電機的控制原理基本闡述完畢，其基本的運行和控制特性與實際同步發電機相近。

2 基于VSG的微網逆變器控制策略整體設計

根據同步發電機調速器和勵磁控制器的運行原理設計控制器，能夠協調儲能單元和逆變器，將帶有儲能的逆變器等效為同步發電機[5]。

首先采樣濾波后的三相電壓U0以及三相電流I0作為采樣信號，經過坐標變換以及功率計算，得到控制VSG所需的有功功率和無功功率。通過VSG控制并做坐標反變換后，得到dq軸坐標系下的定子電壓，將其作為電壓電流雙環控制的輸入后，得到三相調制波S[6]。在此基礎上，結合SPWM調制過程，可將其轉化為持續的觸發脈沖，利用觸發脈沖實現開關的導通與關斷。由于虛擬同步發電機在本質上可看作一個理想電壓源，因此逆變器的輸出表現為電壓源型逆變器。若僅僅采用電壓單環控制，易導致系統穩定性不足。電壓電流雙閉環能夠進行電流限幅，比電壓單閉環更為安全，因此，本文采用電壓電流雙閉環控制策略。

基于虛擬同步發電機的微網逆變器整體控制策略如圖2所示。其中，Vdc為直流電壓源，與兩電平逆變器直接相連，Lf、Bf和Cf分別為濾波電感、濾波電感內阻及濾波電容。

此外，在基于VSG的微網逆變器控制策略中，結合頻率反饋過程實現逆變器對電網頻率的實時追蹤；在此基礎上，結合電壓電流雙閉環技術調控并網電壓和頻率，從而實現微網逆變器穩定控制。逆變器并網控制模式如圖3所示。

3 仿真驗證

為證明設計的微網逆變器控制策略的應用性能，在Simulink仿真環境中搭建了如圖4所示的微網系統仿真平臺。該仿真平臺由三相逆變器、同步發電機、負載、電網和開關組成。其中，同步發電機具有二次調頻的功能，可自由改變逆變器的開關組合狀態。

若將KM1切換開關和KM3切換開關關閉，這表示虛擬同步發電機已經接入電網中，此時系統處于并網運行的狀態。

圖5為虛擬同步發電機在額定電網頻率下的并網電流波形圖，由仿真結果可以看到并網電流波形諧波含量為2.63%，低于國家標準的電流畸變限定值，證明了基于虛擬同步發電機微網逆變器控制策略的有效性和可行性。

圖1：虛擬同步發電機控制原理框圖

圖2：逆變器控制結構圖

圖3：逆變器并網控制模式

圖4：微網逆變器控制仿真圖

4 結束語

本文設計了一種基于虛擬同步發電機的微網逆變器控制策略。首先，分析了VSG的運行原理，建立了發電機的數學模型，并構建了虛擬同步發電機的控制結構。然后，對虛擬同步發電機的核心控制器進行設計，以保證VSG中的功率控制器和勵磁控制器的有效性和穩定性。最后，在仿真平臺中設計了對比試驗，對所設計VSG控制策略的可行性進行了驗證，為將來進一步研究基于VSG技術的應用奠定理論基礎。

圖5：并網電流波形