基于自適應旋轉慣量VSG控制策略光儲微網系統

朱作濱，張常友，曾小斌

（江西工程學院人工智能學院，新余 338800）

隨著大量光伏PV（photovoltaic）發電系統接入電網，導致電網將逐步發展為電力電子變換器為主導的低慣量、欠阻尼網絡。由于光伏發電系統本身不具備調頻特性，不利于系統的穩定性[1]。虛擬同步機VSG（virtual synchronous generator）技術能夠很好地模擬同步發電機特性，可以提升光伏發電系統的穩定性，因此受到人們的廣泛關注。

研究人員針對如何改善系統頻率穩定性的VSG控制策略進行了大量研究。文獻[2]提出了用VSG控制策略構建自主電主電力系統，提升電力系統的穩定性。文獻[3-5]提出自適應阻尼VSG控制策略，相比于固定阻尼的VSG響應速度快、動態波動小，提升了系統頻率的穩定性。文獻[6-7]針對孤島運行模式下提出了一種自適應旋轉慣量VSG控制策略，提升了系統頻率的穩定性，但對并網運行未進行研究。文獻[8-10]建立VSG小信號模型，總結出了VSG參數整定方法。文獻[11]將VSG控制技術應用于混合儲能微網系統中，有效模擬出同步發電機旋轉慣量與一次調頻特性，提高了并網系統的穩定性。文獻[12]將VSG控制技術應用于風電系統中，提升風電系統頻率的穩定性。文獻[13-14]將自適應旋轉慣量VSG應用于風電系統中，提升了系統頻率的穩定性。文獻[15]將VSG控制技術應用于光伏并網系統中，實現了頻率的一次調節，提升了系統的穩定性，但是受負荷波動比較大時，系統的調頻特性還是不夠理想，有待進一步提升。

以上文獻針對固定參數VSG、自適應阻尼VSG以及VSG應用于風電系統中的調頻特性和參數整定進行了研究。本文將自適應旋轉慣量VSG控制策略應用于光儲微網并網運行系統中，利用同步發電機的功角特性曲線及轉子角速度震蕩周期曲線，分析了自適應旋轉慣量對光儲微網系統頻率穩定性的作用機理，并對自適應旋轉慣量VSG控制策略的光儲微網系統的穩定性進行分析及關鍵參數進行整定設計。最后，通過Matlab仿真驗證了該控制策略的有效性。相比于采用固定參數VSG控制策略的光儲微網并網運行系統，在系統負載擾動下，該控制策略頻率調節特性更佳，同時輸出功率振蕩得到一定抑制。

1 常規的VSG控制策略

VSG的虛擬同步調速器及勵磁控制器控制方程為

式中：J為旋轉慣量；D為阻尼；Pm、Pe分別為機械功率和電磁功率；ω、ωn分別為VSG的角速度、額定角速度；δ為虛擬功角；m為下垂系數；Pref為有功參考值；Q為輸出的無功功率；n為無功下垂系數；Um為VSG輸出三相電壓的有效值；ku為積分系數；Un為額定電壓幅值；Qref為無功功率參考值。

由式（1）可得VSG控制原理框圖如圖1所示。

圖1 VSG控制原理框圖Fig.1 Block diagram of VSG control principle

2 自適應旋轉慣量VSG控制策略頻率影響作用機理分析

結合同步發電機功角特性曲線和轉子角頻率振蕩曲線如圖2和圖3所示，進一步分析自適應旋轉慣量VSG控制策略對頻率影響作用機理。

圖2 功角特性曲線Fig.2 Power angle characteristic curve

[t1,t2)區間：在t1處減負載，ΔP突然增加，對應于a點向b點運動。由轉子運動方程及圖3可知，在[0,t1)區間，Δω保持恒定，將導致J（dω/dt）急劇增大。因為J是固定常數，所以dω/dt增大。當達到t2時刻，Δω增加至最大值，與此同時dω/dt為零。在[t1,t2)區間，可以適當增大J，來限制dω/dt的值，減少Δω的最大值。

圖3 轉子角頻率振蕩曲線Fig.3 Rotor angular frequency oscillation curve

[t2,t3)區間：對應于由b點到c點，轉子角速度仍然大于ωn且dω/dt＜0，單調遞減，即ω減速向ωn靠攏，此時應該適當減少J，增大dω/dt，使得ω更快向ωn靠攏。

同理[t3,t4)、[ ]t4,t5區間分別類似于[t1,t2)、[t2,t3)區間。只有適當調整旋轉慣量才能使得系統頻率響應特性更好。調整旋轉慣量規律如表1所示。

表1 旋轉慣量J的選取原則Tab.1 Selection principle for rotating inertia J

根據表1旋轉慣量選取原則，提出一種由角速度變化率和角速度變化量共同決定的自適應旋轉慣量，其表達式為

式中：J0為VSG穩態時的旋轉慣量；Δω為角速度變化率；kj為旋轉慣量的調節系數。

3 穩定性分析及參數整定

3.1 穩定性分析

對式（1）進行線性化和拉普拉斯變換，可得VSG工頻小信號數學模型為

根據式（3）構成VSG的工頻小信號動態模型如圖4所示。

圖4 VSG工頻小信號模型Fig.4 VSG power-frequency small-signal model

由圖4可得ΔPΔωn的傳遞函數為

由式（4）可知其特征根為

由式（5）可知，特征根無論什么時候都是負值，表明VSG系統是穩定的，且在一定范圍內可調。由此可得到不同參數下系統的根軌跡圖如圖5所示。由于s1和s2為一對共軛復根，圖5（a）中當J增大時，系統的狀態將從欠阻尼過渡到過阻尼狀態，當J繼續增加，系統的阻尼和自然振蕩頻率將會減小而且超調將會增加。由圖5（b）可知隨著X的增加，系統的阻尼增加，響應速度變慢。

圖5 參數變化時的根軌跡Fig.5 Root trajectories when parameters change

3.2 參數整定

為了實現有功調節過程中的快速響應性及降低功率振蕩，將VSG系統有功環設計成在臨界阻尼狀態下運行，即特征根s1和s2為0，則

當J繼續增大大于J0時，系統將處于欠阻尼狀態，則自然振蕩頻率及阻尼比為

若Δω（dω/dt）＞0時，kj取值過大，則J值過大，由式（7）和式（8）知，ξ將減少，系統振蕩時間增加，影響動態性能；若kj取值過小，J增加得不是很明顯，抑制超調不明顯。若Δω（dω/dt）＜0時，kj取值過大，有可能使得J＜0；導致系統不穩定；若J0取值過大，可以滿足使得J＞0，但是同樣影響動態性能；若kj取值過小，J0減少不明顯，對超調抑制小。綜合分析，kj的取值應靈活選擇。對kj取不同值時進行仿真，設置負荷在t=0.5 s處發生擾動，仿真波形如圖6所示。

圖6 不同調節系數下的頻率波動Fig.6 Frequency fluctuations with different adjustment coefficients

由圖6可知，kj取值區間為（0.05，0.50）時，系統的調頻特性都能滿足要求，本文選擇kj=0.50。

4 仿真分析

將自適應旋轉慣量VSG控制策略應用于光儲微網發電系統中，其拓撲結構如圖7所示。圖中，C1為濾波電容；C為直流母線電容；U和IPV分別為光伏經最大功率跟蹤器MPPT（maximum power point tracker）后輸出的電壓和電流；Udc為直流母線電壓；Udcref為給定直流母線電壓參考值；Pref和Qref分別為給定參考有功和無功；Ugabc和Igabc分別為并網電壓和電流；iL為蓄電池輸出電流。

圖7 基于VSG的光儲微網系統拓撲結構Fig.7 Topology of PV energy-storage microgrid system based on VSG

根據圖7在Matlab中搭建基于自適應旋轉慣量VSG控制策略的光儲微網并網發電系統仿真模型。光伏組件型號選用Sun Power SPR-415E-WHTD，根據廠家提供光伏組件參數可知，在標準工況下光伏系統最大輸出功率為15 kW。系統仿真參數如表2所示。

表2 仿真參數Tab.2 Simulation parameters

光儲微網系統并網運行時，PQ控制、VSG控制以及自適應VSG控制時的頻率調節情況仿真波形如圖8和圖9所示。

圖8 未加入阻尼和慣性下系統輸出頻率Fig.8 Output frequency of system without damping or inertia

由圖8可知，光儲系統并網運行時，系統內部負荷發生變化時，未引入慣量和阻尼時，光儲系統的頻率受負荷擾動變化比較大，當在較大負荷波動時，系統頻率將會超出規定頻率范圍內。由圖9可知，常規的VSG的光儲系統相比于自適應VSG系統輸出頻率的隨著負荷的波動幅度變化較大，調頻性能更差。

圖9 加入阻尼和慣性后系統輸出頻率Fig.9 Output frequency of system with damping and inertia

設置t=0 s時，系統負荷1為20 kW，負荷2為10 kW，系統總負荷30 kW；在t=0.3 s時，系統切除負荷2；在t=0.6 s時，再投入負荷2。光伏發電系統始終工作在最大功率輸出即15 kW。光儲微網系統并網運行仿真波形如圖10所示。

圖10 光儲微網系統運行輸出波形Fig.10 Output waveforms of PV energy-storage microgrid system under operation

由圖10（a）可知，利用蓄電池充放電維持直流母線電壓在700 V，由圖10（b）可知在工況下，經MPPT后始終保持光伏輸出最大功率15 kW；由圖10（c）可知逆變器輸出功率始終跟隨給定保持在40 kW；為了保持系統內功率平衡，則需要蓄電池儲能系統輸出25 kW，如圖10（d）所示。輸送至電網的功率由給定減去負載所得功率，如圖10（f）所示。整個光儲微網系統并網運行時滿足功率守恒。另外，自適應旋轉慣量VSG的光儲系統相比于常規VSG光儲并網系統，輸出功率的振蕩得到了一定的改善。

5 結語

為了提升光儲微網頻率的穩定性，本文在常規VSG控制策略的基礎上，利用同步發電機的功角特性曲線及轉子角速度振蕩周期曲線，分析了自適應旋轉慣量對微電網頻率穩定作用機理，提出自適應旋轉慣量VSG控制策略。并對自適應旋轉慣量VSG控制策略的穩定性進行分析及關鍵參數進行整定設計。最后將自適應旋轉慣量VSG控制策略應用于光儲并網發電系統中并建立Matlab仿真模型，仿真結果表明：在負荷擾動情況下，采用自適應旋轉慣量VSG控制策略的光儲微網系統的穩定性和動態性能較好。相比常規的VSG控制策略頻率波動及輸出功率的超調明顯得到抑制。