虛擬同步機控制逆變器與柴油發電機組并聯運行控制策略

趙友誠,朱長青,劉金寧,安 樹,洪欣雨

(陸軍工程大學石家莊校區, 石家莊 050003)

0 引言

隨著環境問題的日益突出以及分布式發電技術的不斷成熟,以新能源發電為主、包含各種分布式發電單元(DG)的微電網應運而生[1-2]。在脫離了大電網的偏遠山區、海島等地區,以太陽能、風能等新能源發電單元與柴油發電機組(DGS)并聯組成的獨立型微電網成為其主要的供電形式[3]。但是逆變器與柴油發電機組在響應速度、輸出特性等方面有很大的不同,若將二者直接并聯,會出現較大環流,影響系統的穩定性[4]。

為了提高逆變器與柴油發電機組并聯運行的穩定性,國內外學者展開了大量研究。文獻[5]提出了一種基于模式期切換的逆變器與發電機組并聯運行的控制策略,但該方法要區分逆變器在不同的運行工況下發電機組并入的情況,控制過程較為繁瑣,不利于實際應用。文獻[6-8]提出了一種分層控制策略,通過在系統中設立各級通信線路,而后上級控制層經由通信線路向并聯系統發出功率分配以及頻率穩定的控制信號,但是這種控制方法應用在獨立型微電網中會增加整個系統模型的復雜性,降低可靠性。柴油發電機屬于機械慣性設備,而逆變器屬于電力電子設備,不具備柴油發電機那樣的慣性和阻尼特征。為此,有學者提出將同步發電機的調速和調壓控制方程加入到逆變器的控制中去,使得逆變器具有發電機那樣的慣性和阻尼特征,這就是虛擬同步機(virtual synchronous generator,VSG)控制策略[9]。文獻[10-13]提出了一種自適應慣量系數法的VSG控制策略,使得逆變器在與柴油發電機組并聯的過程中可以實現VSG慣量和阻尼系數的自適應調整,并機切換過程更加平滑,但是這種控制方法更多地模擬的是同步發電機的特性,沒有考慮到柴油發動機的特性,造成二者在并聯運行過程中的穩定性欠佳。

在逆變器與柴油發電機組并聯運行的系統中,應充分考慮到柴油發電機中發動機系統的運行特性。但是現有的VSG控制策略大多只是模擬了同步發電機的特性,忽略了發動機部分,這樣會使并聯系統產生較大的沖擊和波動,不利于系統的穩定。本文在分析VSG控制策略的基礎上,提出了一種逆變器虛擬柴油發電機控制策略,通過研究柴油發動機的結構以及運行特性,建立虛擬柴油發動機的模型;同時再結合VSG控制策略中虛擬勵磁機模型,建立虛擬勵磁機控制器模型,從而使得逆變器可以更好地模擬柴油發電機組的運行特性,提高其與柴油發電機組并聯運行的穩定性。最后通過仿真驗證了本文所提策略的正確性和有效性。

1 虛擬同步機(VSG)控制策略

虛擬同步機控制策略的實質是將同步發電機的控制算法加入到逆變器的控制策略中去,從而使得逆變器獲得類似同步發電機的運行特性[14-15]。考慮到VSG控制策略可以模擬同步發電機的外特性,本文中以此為基礎進行逆變器和柴油發電機機組并聯運行控制策略研究。按照同步發電機的結構設計,虛擬同步機主要由兩部分組成:虛擬原動機和虛擬勵磁機[16]。

1.1 虛擬原動機的設計

VSG中虛擬原動機模擬的是同步發電機中原動機的結構設計,在系統負載有功功率變化導致頻率出現偏差時,通過調節虛擬機械轉矩來調整有功功率的輸出,使得頻率穩定在額定值附近。虛擬原動機的功頻特性方程為:

(1)

式中:ω、ωn分別為實際轉動的角速度和額定角速度;Pm、Pn分別為虛擬同步機的輸出功率和額定功率;Kω為功頻調節系數。由式(1)可以看出,虛擬原動機的功頻特性具有類似于同步發電機調速器的有功-頻率下垂特性,因此可以通過調節系數Kω的值來實現系統頻率的穩定,并且合理地分配各逆變器輸出的有功功率。虛擬原動機的控制框圖如圖1所示。

圖1 虛擬原動機控制框圖Fig.1 Control block diagram of virtual prime mover

由圖1可以看出虛擬原動機在運行過程中可以直接由測得的頻率偏差來調整輸入的機械功率,整體控制十分簡潔高效。但是虛擬原動機僅能模擬同步發電機中原動機的外特性,并不能模擬柴油發電機組中發動機部分的特性。

1.2 虛擬勵磁機的設計

VSG中虛擬勵磁機模擬的同步發電機中勵磁調節器的結構設計,主要通過調整虛擬同步機的虛擬電勢來維持端電壓的穩定以及無功功率的分配。其電壓控制方程為:

U=Un+Kq(Qn-Q)

(2)

式中:U為輸出端電壓的值;Un為空載電動勢;Qn為無功功率指令值;Q為輸出的無功功率;Kq為無功電壓調差系數。由式(2)可以看出,虛擬勵磁機也具有類似于同步發電機的無功-電壓下垂特性,當負載無功功率變化時可以通過調整VSG的虛擬電勢U來實現端電壓的穩定及系統無功功率的調整。虛擬勵磁機的控制框圖如圖2所示,當無功功率變化時控制器可以迅速響應,通過調節,維持端電壓穩定在額定值附近。

圖2 虛擬勵磁機控制框圖Fig.2 Control block diagram of virtual exciter

1.3 虛擬同步機整體控制結構設計

逆變器的虛擬同步機控制策略是基于同步發電機原理建立的控制方法,可以模擬同步發電機的慣性與阻尼、有功調頻以及無功調壓的下垂特性,從而穩定系統的電壓和頻率,提高整個系統的穩定性。結合2.1、2.2建立的虛擬原動機以及虛擬勵磁機模型,可得到VSG的控制結構,如圖3所示。

圖3 VSG控制框圖Fig.3 VSG control block diagram

由圖3可以看出VSG控制策略具有類似于同步發電機的下垂控制特性,因此在多逆變器并聯運行時可以維持系統頻率和電壓的穩定,還可以合理地進行功率分配。但是VSG控制策略沒有考慮到柴油發動機部分,會使逆變器與柴油發電機組并聯系統產生較大的沖擊和波動,系統穩定性降低。在研究逆變器與柴油發電機并聯運行的問題時,應充分考慮到柴油發電機中發動機部分的輸出特性。本文中在VSG控制策略的基礎上,結合柴油發電機中原動機和勵磁機的控制方程,得到虛擬柴油發電機控制策略,可以提高逆變器與柴油發電機機組并聯運行的穩定性。

2 虛擬柴油發電機控制策略

逆變器采用虛擬柴油發電機控制策略可以很好地模擬柴油發電機的運行特性,從而提高其和柴油發電機組并聯系統的穩定性。虛擬柴油發電機主要包括兩部分:虛擬柴油發動機和虛擬勵磁機控制器,本節主要對這兩部分的工作原理以及控制器的設計進行介紹。

2.1 虛擬柴油發動機的設計

虛擬柴油發動機模擬的是柴油發動機調速系統的功能,當系統有功負荷發生變化導致轉速發生變化時,調速系統通過計算實際轉速與額定轉速的差值控制汽門的開度,從而調節發動機輸出的機械功率,實現新的功率平衡。按照柴油發電機調速系統的結構,虛擬柴油發動機可分為轉速調節器、油門執行器和柴油發動機3個部分。下面介紹各個部分的工作原理及其數學模型,并在此基礎上建立虛擬柴油發動機的控制模型。

轉速調節器由轉速傳感器和控制器兩部分組成,用于實現發動機轉速的穩定。轉速調節器的控制模型可以用一階慣性環節來模擬,其傳遞函數如下所示:

(3)

式中:T1為轉速調節器的慣性時間常數;Kp、Ki、Kd分別為PID控制器中的比例、積分和微分系數。

油門執行器的作用是接收轉速調節器發出的油量給定信號,控制噴油泵向氣缸內泵入定的油量,保證系統的穩定運行。油門執行器的控制模型可以等效為慣性放大環節,其傳遞函數如下所示:

(4)

式中:T2為油門執行器的慣性時間常數;K1為油門執行器的增益。

柴油發動機的作用是將燃料的化學能轉化為機械能,并作為原動機向外輸出機械轉矩,拖動同步發電機發電,其傳遞函數如下所示:

(5)

式中:T3為柴油發動機的慣性時間常數;K2為柴油發動機的增益。

虛擬柴油發動機作為虛擬柴油發電機的調速系統,在運行過程中首先由下垂控制環節生成轉速的參考值,而后將其與實際轉速的差值依次經過轉速調節器、油門執行器與柴油發動機模型后向外輸出功率。虛擬柴油發動機的控制模型如圖4所示。

圖4 虛擬柴油發動機控制框圖Fig.4 Virtual diesel engine control block diagram

2.2 虛擬勵磁機控制器的設計

柴油發電機中勵磁系統的主要作用是保證端電壓的穩定,具體工作過程為:當同步發電機的端電壓發生變化時,勵磁調壓器(AVR)通過調節勵磁電流來改變勵磁電動勢,進而保證端電壓的穩定。虛擬柴油發電機中勵磁機控制器的功能和柴油發電機中勵磁系統的功能類似,保證輸出端電壓的穩定。對照柴油發電機的勵磁系統,虛擬勵磁機控制器可分為以下3個部分:電壓檢測環節、反饋控制環節以及勵磁電壓穩定環節。

電壓檢測環節主要是檢測輸出端電壓的幅值,配合無功下垂環節生成系統電壓的參考值,該過程存在延遲環節。其值可由式(6)求得:

(6)

式中:Um為電壓幅值;Ud和Uq分別為輸出端電壓在d軸和q軸上的分量;T4為延遲環節的時間常數。

反饋控制環節主要是對端電壓的變化快速響應,縮短調整時間。此過程可以等效為慣性放大環節,傳遞函數如下所示:

(7)

式中:K3為反饋控制環節的放大系數;T5為時間常數。

勵磁電壓穩定環節主要是穩定輸出端電壓,減小超調量,縮短調整時間。該過程也可等效為慣性放大環節,傳遞函數如下:

(8)

式中:K4為放大系數;T6為時間常數。

虛擬勵磁機控制器具體的工作流程是:首先由無功下垂環節得到參考電壓Uref,再由電壓檢測環節得到電壓幅值Um,而后將Uref與Um的差值經由反饋控制環節以及勵磁電壓穩定環節后得到電壓E,穩定輸出電壓。其控制框圖如圖5所示。

圖5 虛擬勵磁機控制器控制框圖Fig.5 Control block diagram of virtual exciter controller

2.3 虛擬柴油發電機的整體控制策略

虛擬柴油發電機控制策略是在VSG控制策略的基礎上提出的,由3.1和3.2建立的虛擬柴油發動機和虛擬勵磁機控制器的模型可以看出:采用虛擬柴油發電機控制策略的逆變器可以更好地模擬柴油發電機組的輸出特性,進而提高逆變器與柴油發電機組并聯系統的穩定性。在圖3中,將VSG控制策略中的虛擬原動機和虛擬勵磁機替換為虛擬柴油發動機和虛擬勵磁機控制器即可完成虛擬柴油發電機控制器的設計。

3 仿真驗證

為驗證虛擬柴油發電機控制策略的有效性,在Simulink中搭建逆變器與柴油發電機組的并聯仿真模型,二者額定容量均為10 kW,仿真參數如表1、表2所示。

表1 逆變器控制參數Table 1 Inverter control parameters

表2 柴油發電機組參數Table 2 Parameters of diesel generator set

3.1 2種控制方法輸出特性與柴油發電機組比較分析

為驗證逆變器采用虛擬柴油發電機控制策略的輸出特性相比VSG控制策略更接近柴油發電機組的輸出特性,仿真工況設置如下:新能源逆變器帶4 kW的負載獨立運行,初始仿真時間為3 s,在1 s時投入4 kW的負載,2 s時切除4 kW的負載,對比分析其分別采用VSG控制策略和虛擬柴油發電機控制策略的輸出特性。

從圖6和圖7的輸出頻率和功率波形圖可以看出:當負載投切時,采用虛擬柴油發電機控制策略的逆變器輸出頻率和功率的波形變化與發電機組的變化基本一致。仿真結果表明:采用虛擬柴油發電機控制策略的逆變器輸出特性更接近柴油發電機組的輸出特性。

圖6 輸出頻率波形Fig.6 Output frequency waveform

3.2 逆變器與柴油發電機組并聯運行仿真分析

為驗證逆變器采用虛擬柴油發電機控制策略可以和柴油發電機組穩定并聯運行,并聯運行工況設置如下:二者并聯后帶6 kW+2 kVar的負載運行,仿真時間為4 s。在1 s時投入8 kW+6 kVar的負載,3 s時切除該負載并投入4 kW+2 kVar的負載,觀察逆變器和柴油發電機組輸出的頻率、有功功率、電壓幅值和無功功率的波形。

由圖8、圖9逆變器和柴油發電機組輸出的有功和無功功率波形圖可以看出:采用虛擬柴油發電機控制策略的逆變器與發電機組并聯運行時可以實現功率的均分。由輸出頻率和電壓波形圖可以看出:當負載投切時,逆變器輸出頻率和電壓波形變化與發電機組基本一致,且動態性能較好,到達穩態時逆變器的頻率和電壓值略低于發電機組。

圖8 輸出頻率-有功功率波形Fig.8 Output frequency-active power waveform

圖9 輸出電壓-無功功率波形Fig.9 Output voltage-reactive power waveform

仿真結果表明:采用虛擬柴油發電機控制策略的逆變器和柴油發電機組并聯運行時,可以實現功率的合理分配;當負載投切時,逆變器和發電機組的輸出特性變化基本一致,二者可以穩定運行。

4 結論

1) 逆變器虛擬柴油發電機控制策略的輸出特性相比虛擬同步機控制策略更接近柴油發電機組。

2) 采用虛擬柴油發電機控制策略的逆變器可以和柴油發電機組穩定并聯運行,且功率可以合理分配。

3) 采用虛擬柴油發電機控制策略的逆變器在負載變化時頻率和電壓的變化率和調整時間要高于發電機組,如何使其動態性能和發電機組趨于一致還需進一步的研究。