基于電網單相電壓采集的VSG預同步技術

趙 明，吳強國，黃 峰

（廣州智光電氣技術有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著全球經濟日益增長和能源需求的擴大，能源不足與環境問題日益突出，新能源在電網系統中的占比持續上升。作為新能源的重要組成部分，分布式微電網的應用和研究得到越來越多的關注，而作為分布式能源與微電網能源的紐帶，儲能變流器（Power Conversion System，PCS）在微電網系統中處于核心的控制角色[1,2]。微電網最典型的特點就是要求具備并離網切換功能，從而實現與大電網互動和解耦的靈活切換。虛擬同步發電機（Virtual Synchronous Generator，VSG）技術因其特有的慣量特點，成為近年來學術界的研究熱點，VSG與電網的同步技術直接影響著PCS無縫切換的實際效果[3,4]。

本文介紹了常見變流器的硬件拓撲類型和基于硬件拓撲的VSG控制模型，給出VSG和電網之間的預同步優化原理和實現策略，同時在125 kW樣機上驗證本文所提預同步方案的有效性。

1 儲能變流器的拓撲原理

儲能變流器是連接電池與電網或負載，用于直流電能和交流電能變換的裝置。常見的微電網拓撲如圖1所示。

圖1 微電網拓撲

PCS是微電網系統中的核心設備，其典型拓撲結構如圖2所示。

圖2 PCS拓撲結構

儲能變流器的拓撲主要包括功率變換、濾波、配電等部分，行業中也有采用二電平的拓撲變換結構。在VSG應用中，二電平和三電平原理基本相同，本文以三電平拓撲為基礎展開論述。

2 VSG系統控制架構

VSG的典型控制架構方案較多，按照類別可以分為電流電壓雙環控制型、下垂控制型、模型等效控制型等。其基本原理是根據同步發電機的物理特性，通過合理參數設計使電力電子變換器的輸出具備同步發電機的特性[5]。本文采用典型的基于同步電機特性的VSG控制算法，控制原理如圖3所示。

圖3 VSG控制原理

圖3中：S1為調頻調壓使能開關；S2為功率調度使能開關；S3為并網模式使能開關；S4為預同步使能開關。在上述控制系統中，通過各類使能開關的切換可以實現有功控制、無功控制、離網運行以及預同步等功能。

離網轉并網切換原理為使能預同步控制單元，通過對虛擬電動勢幅值Em和角頻率ω的補償，實現離網/并網無縫切換。預同步功能啟動時，S1閉合、S2斷開、S3斷開以及S4閉合。

以a相為例，離網運行模式下虛擬同步發電機的輸出端口電壓uvsga和電網電壓uga分別為

一般地，電網電壓幅值U1和微電網處于離網運行的電壓幅值U2值相差不大，即近似地有U1=U2=U。那么，兩電壓的瞬時差值為

并網同步過程的矢量圖模型如圖4所示，其中VSG輸出電壓矢量U2的旋轉角速度為ω0，大電網電壓矢量U1的旋轉角速度為ωg。

圖4 并網同步過程向量

并網運行過程中，當啟動預同步功能時，通過調節ωg，使得U1和U2接近重合，此時可以認為VSG和大電網之間實現電壓同步，通過使能配電開關實現離/并網模式的快速切換。

3 預同步技術

預同步的功能主要是PCS從離網狀態轉為并網狀態時，當收到預同步的指令后實現與電網相位的同步，同時發出閉合PCC開關的使能信號，控制PCC閉合，實現離網切換為并網狀態。常規預同步需要3電壓，但對于并機來說，受限于硬件，暫定預同步時只采樣1路PCC點電壓，只能通過算法將1路擴展為3路[6-8]。

基于雙派克變換的單相鎖相環，不需要生成正交坐標信號，在輸入的電壓頻率、相位和幅值發生變化時，仍然能夠準確、迅速地計算出輸入信號的相位信息，同時可以對輸入電壓信號的最大值進行準確測量[9]。只采樣1路電壓信號時，可以認為三相電壓信號中的另外2路信號恒為0。根據對稱向量矢量計算原理，將此信號經過矢量算法分解成幅值相等、相位相同的正序、對稱負序、對稱零序3部分。假如輸入信號為

將式（4）經過正序派克變換，可得

將式（5）經過負序派克變換，可得

其中Tpark(θ)為

經過推導，正序派克變換后的式（5）可以經過基于負序派克坐標系變換得到式（6）中的交流分量。通過式（5）和式（6）之間的相互解耦，即可消除式（5）的交流量，只有直流分量，即

基于以上分析，可以推導出如圖5所示的鎖相環結構成。其中，第一派克變換、第二派克變換分別為正序派克變換、負序派克變換。低通濾波器LPF1和LPF2用來獲取兩組派克變換結果中的低頻或直流分量，壓控制振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）是1個積分環節，用于測量相位信息[10]。

圖5 鎖相環結構

4 實驗結果

基于上述理論分析搭建試驗平臺，采用一臺125 kW的PCS作為實驗樣機。對PCS下發預同步指令時，VSG輸出電壓和電網電壓波形對比情況如圖6所示。

圖6 試驗波形

試驗結果表明，當下發離網轉并網指令后，VSG電壓和電網電壓可以快速實現相位同步。

5 結 論

基于VSG控制的儲能變流器應用，分析了VSG基本控制模型和從離網切入并網過程中的原理條件，研究VSG離網轉并網過程的預同步技術原理，提出了單相電壓采集條件下預同步方法。從控制架構和理論分析驗證理論正確性，通過試驗證明了預同步方案的有效性。