基于無鎖相環的虛擬同步發電機離并網切換控制策略研究*

耿昊翔, 王維俊, 唐 帥, 張國平, 米紅菊

(1.陸軍勤務學院 軍事設施系,重慶 430000;2.軍事科學院 系統工程研究院,北京 100000)

0 引 言

隨著能源危機和環境污染的問題不斷加劇，節能減排勢在必行。“十四五”規劃提出了2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目標[1]，基于化石燃料的傳統發電方式會造成大量二氧化碳的排放，不利于國家戰略目標的實現，基于新能源的微電網發電必將成為趨勢。傳統的微電網逆變器控制缺乏足夠的阻尼和慣性，無法為電網電壓和頻率提供支撐，因此一些學者提出了虛擬同步發電機(VSG)控制技術，通過引入轉動慣量和阻尼，模擬同步發電機的運行特性，提高了系統運行的穩定性[2-4]。

微電網具有離網運行和并網運行2種運行模式。根據微電網運行的需要以及大電網的故障情況需在2種運行模式之間進行切換，由于微電網逆變器在2種模式下的控制方式存在著不同，在由離網轉并網的時候，電壓的幅值和相位不一致可能導致并網失敗，或者引起較大的電流沖擊以及功率的波動，對系統的穩定性造成影響。因此,逆變器并離網的無縫切換控制對于微電網的穩定運行以及并網的電能質量至關重要，也是目前研究的熱點之一。

由于dq同步旋轉坐標系是目前分析同步電機運行最常用的一種坐標變換,而dq變換需要的電網電壓矢量角通常需要鎖相環(PLL)來獲取[5]，因此PLL在VSG并網中具有廣泛的應用。PLL會對系統動態性能與穩態精度產生影響，許多學者不斷改進PLL技術或與之相關的控制算法。

文獻[6]應用了一種改進的PLL，先獲取2π的余數，然后將其用作正弦函數后的PI控制器的輸入以消除相位接近0或2π時的突變。文獻[7]提出基于正弦波鎖定器的預同步控制，采用SLL獲取電網的電壓幅值和相位信息，提高系統控制精度和動態性能。文獻[8]基于雙二階廣義積分器的PLL提出了一種控制器狀態跟隨的并行切換方法, 可實現PQ與VSG控制2種模式下相位和電流指令的實時跟蹤,有效降低了切換時的沖擊。但由于電網電氣狀態量偏移較大，采用連續的實時跟蹤調節并不是十分有效可行，所以文獻[9]提出了一種恒定差量調節方法，待PLL輸出穩定值后，通過信號恒定器將該定值持續輸出，然后與逆變器的輸出值作差通過PI調節器進入VSG算法來實現后續的調節。

但PLL本身受電網電壓波動、頻率偏移、電壓波形畸變等影響較大，會降低檢測精度，出現偏差，甚至可能出現失鎖[10]。采用相應改善措施會增加PLL時間，影響整個控制系統響應的速度。

根據上述分析，無PLL的預同步單元可以避免PLL對系統控制精度以及響應速度的影響，降低控制系統的復雜度。因此,本文采用基于無PLL的VSG離并網切換控制策略。

1 VSG的模型與控制

1.1 VSG的建模

本文中VSG采用三相電壓源型逆變器結構，其拓撲圖如圖1所示。逆變器直流側由分布式電源提供直流電壓，經開關管進行逆變并通過RLC后，輸出三相正弦電壓，可并網接入電網或離網接入本地負載。

圖1 VSG拓撲圖

控制部分由功率環及電壓電流控制環組成，經功率環與參考電壓計算出機端指令電壓后，通過電壓電流控制環，經空間矢量脈寬調制得到PWM波，從而控制開關管的通斷，達到調節輸出電壓的目的。

1.2 VSG控制算法

1.2.1P-F控制

根據同步發電機轉子運動方程式:

(1)

式中：J為轉動慣量；Tm為機械轉矩；Te為電磁轉矩；Kp為阻尼系數；ω為角頻率；ω0為額定角頻率；Pm為虛擬輸入機械功率；Pe為虛擬輸出電磁功率；Δω=ω-ω0。

同步發電機通過調速器對輸入功率進行控制，采用有功頻率下垂控制，即根據電網頻率來改變有功功率，這一特性可表示為

Pm=Pref+kp(ωref-ω)

(2)

式中：Pref為參考輸入機械功率；kp為有功功率下垂控制系數；ωref為角頻率參考值。

令ωref=ω0。兩式聯立可得：

(3)

其中,Dp=kp+Kpω。

VSG有功調頻控制如圖2所示。

圖2 有功功率控制框圖

1.2.2Q-U控制

VSG通過虛擬勵磁調節器控制勵磁電流來改變感應電動勢，從而調節逆變器的輸出的無功功率。感應電動勢在勵磁控制的作用下，將隨著輸出無功功率的增大而減小。VSG無功調壓控制方程可表示為

Us=Uref+Dq(Qref-Qe)

(4)

式中：Us為指令電壓值;Uref為參考電壓值;Qref為參考無功功率;Dq為無功功率下垂控制系數;Qe為輸出的無功功率。

VSG無功調壓控制如圖3所示。

圖3 無功功率控制框圖

1.2.3 電壓電流雙閉環控制

本文采用PR控制，因為PI控制無法對正弦量實現無靜差控制，而PR控制可最大限度的消除目標值與被控制量之間存在的靜差。理想的PR控制器在基波頻率處有一無窮增益，其傳遞函數如下：

(5)

式中：Kp1為PR控制的比例系數；Kr為諧振系數；ωc為諧振角頻率。

但理想的PR控制器現實中難以實現，且在非基頻處的增益很小，當電網頻率發生偏移時，無法有效抑制諧波。為了提高帶寬，且易于通過數字、模擬器件實現，采用準PR控制器，其傳遞函數如下：

(6)

電壓電流雙閉環的控制框圖如圖4所示。

圖4 電壓電流環控制框圖

2 VSG離并網控制策略

2.1 VSG的并網模型

VSG的等效并網電路如圖5所示。

圖5 VSG并網等效電路圖

VSG輸出電壓為U∠θ，電網電壓為Ug∠θg，傳輸阻抗為R+jX，由S=UI*可得復功率為

(7)

因為X?R,所以有功功率為

(8)

無功功率為

(9)

2.2 VSG離并網模式切換

VSG采用準同期并網的方式，在由并網切換成離網模式時，由于VSG模擬了同步發電機的機理和外特性，可以等效為一個電壓源，由于有虛擬阻尼及慣性的存在，輸出電壓幅值、相位和頻率可以保持，不會產生較大的沖擊，能夠實現平滑地切換。

當VSG由離網切換成并網模式時，由式(8)和式(9)可知，并網瞬間相位差會帶來有功功率的沖擊。由于VSG離網時輸出電壓和電網電壓幅值相差不大，此處假設U=Ug，對兩者作差得:

ΔU=Ugsin(ωgt+θg)-Usin(ωt+θ)=

(10)

由式(10)可知，電壓相位的不一致會導致VSG輸出電壓以及電網電壓之間產生最大值為2U的電壓差，由于線路阻抗值較小，會產生較大的沖擊電流，造成電力電子器件的損壞。因此,在切換時，要進行預同步控制，使逆變器輸出電壓與電網電壓的幅值、相位一致，滿足并網要求。

2.3 預同步控制策略

預同步控制一般包括相位預同步和電壓預同步，通過對逆變器的相角和電壓進行補償，從而使VSG輸出電壓和電網電壓一致。相位預同步控制的預同步向量圖如圖6所示。

圖6 預同步向量圖

相位預同步原理：令Ug∠θg與d軸重合，調節逆變器的輸出相位，使Ug∠θg在q軸分量等于0，此時θ=θg，完成相位的預同步控制。

由于相角在0～2π范圍周期變化，因此，VSG輸出電壓與電網的相角差會出現符號的跳變現象，在進行PI控制時會對控制過程造成影響。因此,不直接對相角差進行PI控制，而是對角頻率的差值進行控制。

此處將Δω疊加在角頻率ω反饋點之后，這樣Δω的注入不會影響有功下垂控制回路，也不受P-F控制回路慣性特性的影響，可以大幅加快相位跟蹤誤差收斂速度。

相位預同步控制框圖如圖7所示。

圖7 相位預同步控制框圖

圖7中kp1為PI控制的比例系數，ki為PI控制的積分系數。

對電網電壓Ug進行αβ變換，得到Ugα和Ugβ,計算得幅值與VSG輸出電壓幅值比較后，對差值進行PI調節，將PI調節器輸出的ΔU反饋回無功功率環，使VSG輸出電壓的幅值逐漸與電網同步。

電壓預同步控制框圖如圖8所示。

圖8 電壓預同步控制框圖

對Δω、ΔU進行限幅處理，以避免電網頻率和電壓的大幅波動，同時還引入了積分抗飽和環節以加速調節恢復過程，2個限幅模塊的取值直接影響同步調節過程。

實際并網過程中，為了使VSG輸出電壓和電網電壓保持同步，收到預同步信號時，起動預同步控制單元。當Δω、ΔU滿足條件時觸發并網信號，即可實現VSG和電網的并網。當成功并網后，退出預同步控制單元。

3 仿真驗證

為了驗證本文所提控制策略的可行性，通過MATLAB/Simulink搭建了模型進行仿真，其相關參數如表1所示。

表1 仿真參數

仿真工況：初始時VSG處于離網模式，帶本地負載運行，0.3 s后收到信號起動預同步控制，約0.32 s時滿足并網條件，閉合并網開關，同時退出預同步控制單元，完成離網到并網的切換，VSG并網運行。圖9～圖12為仿真波形。

圖9 輸出電壓波形

圖10 輸出頻率波形

圖11 輸出相位波形

圖12 VSG輸出功率波形

由圖9可以看出，在并網前后VSG的輸出電壓波動很小，三相正弦波形較好，未出現畸變。僅在并網瞬間有略微的波動，最大幅值約為320 V。根據GB/T29319—2012《光伏發電系統接入配電網技術規定》,定義了接入用戶側配電系統的技術標準，并網點電壓在90%～110%標稱電壓之間時，光伏發電系統應能正常運行。電壓最大波動為3.2%,滿足要求。

電網電壓僅在并網瞬間有輕微的波動，隨后又變為穩定的三相交流電，VSG并網未對電網電壓造成沖擊。

由圖10可以看出，在并網前后VSG的輸出頻率波動很小，在±0.2 Hz范圍內波動,并網后能跟隨電網頻率保持在50 Hz。

在并網瞬間電網的頻率有不超過0.2 Hz的波動，隨后穩定在50 Hz運行。

由圖11可以看出，在預同步信號發出后，VSG電壓相位開始跟隨電網，在并網前實現了同步，預同步環節用時0.02 s，在0.32 s時滿足并網要求，保證了VSG并網的平滑切換。

由圖12可以看出，在并網后VSG的輸出功率能夠跟隨指令值變化且未出現較大的功率沖擊。

同時在相同仿真工況下，對比傳統的有PLL的控制策略，由于取消了PLL環節，簡化了控制算法，預同步時間明顯縮短，且并網切換時振蕩更小，更加快速完成了離并網的切換。

4 結 語

本文針對微電網的運行特性，提出了一種基于無PLL的VSG離并網切換控制策略。通過取消PLL，降低了控制系統的復雜程度，避免了PLL對系統控制精度以及響應速度的影響，縮短了預同步的時間，加快完成了離并網的切換，控制算法簡單的優勢明顯。同時，本文不采集Δθ，而是直接將Δω反饋回功率環，避免了θ相位突變帶來的影響。此外，將Δω疊加在角頻率ω反饋點之后，使得Δω的注入不會影響有功控制回路，也不受P-F控制回路慣性特性的影響，并引入了積分抗飽和環節以加速調節恢復過程，可以大幅加快跟蹤誤差收斂速度。

該控制策略能夠有效地保證VSG輸出電壓的幅值和相位在并網前快速地追蹤上電網電壓，避免了在切換瞬間出現電流沖擊或電壓畸變，實現了平滑的切換。仿真結果驗證了本文所提策略的正確性和有效性。