基于VSG技術的分布式電源自適應阻尼控制研究

周 艷 朱 慧 戚思源 吳文龍

（國網江蘇省電力有限公司鹽城市大豐區供電分公司）

0 引言

分布式電源多為數千瓦到50WM功率左右的小型模塊式獨立電源，能實現個性化供電服務。VSG技術支撐下分布式電源有望實現動態旋轉供電，在調頻調壓作用下表現自適應阻尼控制功能，產生同步發電機等效服務特點，確保分布式電源在供電環節賦予用戶持穩可靠的用電體驗，理應依據實際使用需求完善自適應阻尼控制優化計劃，充分提升供電服務質量。

1 分布式電源自適應阻尼控制優化目的

1.1 消除欠阻尼風險

分布式電源能實現局部地區獨立用電計劃，本文提出依靠VSG技術強化自適應阻尼控制功能，主要為了進一步消除欠阻尼風險。所謂欠阻尼指的是在“傳輸線特性阻抗＜負載阻抗”條件下出現能量反射問題。該現象的出現不但容易增加供電成本，而且會破壞電源系統運行穩定性，其電壓波形圖如1所示。隨著時間延長，電壓呈現先增后降趨勢，具體可參照下述公式評估反射狀態。

即：

其中，ρ為反射系數；ZL、Z0為反射電壓、入射電壓。

ρ＞0情況下呈現過沖反應；ρ＜0為電壓下降狀態。經過VSG技術的有效輔助，可在調壓作用下防范欠阻尼風險，促進分布式電源持穩運行。

圖1 欠阻尼仿真分析下分布狀態（負載阻抗-傳輸線阻抗：100～70Ω）

1.2 減小頻率偏差

在按照原有同步發電機使用分布式電源時，常忽視頻率偏差對電源運行狀態的干擾，VSG技術能實現虛擬慣量（J轉動慣量）、阻尼系數（D）動態調節，繼而體現無差調頻特征。一般而言可參照下述公式歸納J與D的變化規律。

即：

其中，Tm、Te、Pm、Pe、ωm、ωe、ω、P0分別指代原動機轉矩、電磁轉矩、原動機及同步發電機的輸出功率、原動機及同步發電機運行頻率及實際角頻率、負荷功率。

從中可以發現VSG技術下能動態調節頻率偏差，以此在調頻作用下保持電壓幅值平穩。按照上述內容可驗證VSG技術下優化分布式電源自適應阻尼控制功能，以便改善運行狀態。

2 VSG技術原理分析

VSG技術與自適應阻尼控制的相關性，多體現在分布式電源應用VAS技術后，能夠改進原有拓撲結構，如圖2所示。由于原有發電機中可為電源給予備用容量，便于并網后快速體現自適應優勢，實現阻尼可控。在電源運行中其電壓回路多滿足下述公式標準：

圖2 分布式電源拓撲結構示意圖（三相橋式逆變器）

其中，Vabc、、L各自表示電容端三相電壓、輸出三相電壓、濾波電感等效電阻、輸出電流、濾波電感。

經過VSG技術可促使三相電壓以相對平衡的狀態釋放電能，自此有效處理原有發電機難以達到的調頻調壓效果。

按照仿真分析法對VSG技術中分布式電源逆變器結構予以研究時，能夠結合有功頻率變化情況達到增大阻尼系數的目的。

式中，kp為有功下垂系數；ω0、ωg為原有角頻率、公共母線處角頻率測量值。

實際上，在并網分布式電源數量增加情況下，頻率偏差隨之增大，此時VSG技術指引下，能同時實現角頻率和功率、電壓等參數范圍的合理控制，進一步防止并網后電源運行時引起電力系統失穩后果，繼而適應運行環境促進分布式電源裝置保有平衡性能［1］。

3 基于VSG技術的分布式電源自適應阻尼控制優化路徑

3.1 建立VSG仿真模型

基于VSG技術優化分布式電源自適應阻尼控制功能時，可以運用仿真分析法先行建立VSG仿真模型，從中分析優化方案的優越性和可行性。在建模時可以圍繞分布式電源結構特征和參數標準將J值、D值設置為0.3kg·m2、0N·m·s／rad，電樞繞組電阻為0.01Ω，濾波電容為15.6mH，電感為10.5uF，直流電壓源800V，額定功率10kW。在統計好仿真模型參數標準后，還應明確仿真模型仿真分析順序，即在分布式電源運行中依靠VSG技術優化系統性能，此時從額定功率條件下運行時，負荷量在10kW 降為6kW，之后變化為8kW，且均保持1s運行周期情況下記錄仿真模型反饋效果［2］。根據仿真模型分析結果確定電壓輸出值始終未超過，證明在VSG技術可達到優化輸出性能和參數可控目的，表明此技術的應用能促使分布式電源有效應對頻率偏差、增壓下產生的不良風險。

于仿真模型中對VSG技術應用效果加以分析時，還可以參照公式（2）對轉動慣量J和頻率ωn相關性加以研究，一般前一項數據變大，后一項將減小，并且在分布式電源呈現負載狀態時，同步發電機更易形成功率失調（電磁功率與機械功率）問題，而VSG技術可通過模擬量的綜合分析為電源提供自適應條件，使之保持阻尼平衡，預防在功率突變狀況下影響電壓分布穩定性。而且在阻尼系數D變大時，超調也隨之上升，此時形成的系統響應時間反而縮減，經由VSG技術可在模擬分析場景下延緩系統頻率響應速度，為系統提供適應新頻率狀態的預留時間［3］。

3.2 優化控制參數

以VSG技術改進分布式電源結構，實現自適應阻尼控制功能優化設計時，還應重點優化阻尼系數k參數，以自適應阻尼參數改善系統性能。通常應用VSG技術可以確保分布式電源中使用的同步發電機保持等效分布狀態。結合公式（5）可判定分布式電源在阻尼系數下受到的具體影響。在阻尼控制系數達到阻尼臨界標準時，此時分布式電源中同步發電機基本未見超調現象，而參數減小則容易出現欠阻尼后果，而系統參數在自適應控制優化處理后可以隨時增加參數和標準值的契合度［4］。

同時，針對分布式電源運行中涉及的變慣量，可以根據相關系數計算公式表達參數關系。

式中，Jmax、J0代表分布式電源中轉動慣量允許最大值和VSG技術下轉動慣量。且Jmax的自適應控制多與虛擬轉動慣量下出現頻率偏移有關，經過對自適應參數的優化控制可以增強多樣性運行狀態下系統穩定性。于自適應阻尼控制優化階段，通常要求阻尼比滿足0.27～0.8的相關要求。無論是系統頻率突變還是電壓變化，均可在自適應控制參數優化設計下保持系統穩定運行狀態。阻尼比作為系統約束條件，在滿足標準要求后還能在VSG逆變器支持下減小超調，促進輸出電壓始終保持相對穩定的變化狀態，電壓和頻率在VSG技術逆變器下利用自適應阻尼控制參數逐漸發揮可調控作用。

3.3 完善控制模塊

3.3.1 頻率模塊

VSG其實就相當于是一個逆變電源，因此在進行頻率模塊優化時，要將分布式電源控制結構中發電機測速器進行功率調節，利用指令信號偏差進行系統反饋信息的輸出。在這一過程中，實現發電機同步功能模擬期間，可以利用轉子機械方程，將H設為VSG的慣量虛擬常數項。隨后，對逆變型分布式電源（IIDG）實施孤島運行模擬，利用下垂控制關系，對頻率模塊予以優化調整。同時，為了保證發電機頻率的同步性，應當針對旋轉軸進行阻尼項介入，即加入k（Wr－Wgrid）。最終得到頻率模塊的函數公式：

式中，Wgrid和Pref為輸出參考有功的頻率和功率；D為下垂系數；P為逆變器端口的輸出有功功率。

利用公式（7）對頻率模塊進行電網頻率實時監測，根據電源發出的有功功率的輸出數值，通過輸出IIDG相位角命令，調控輸出頻率。

3.3.2 電壓模塊

針對電壓模塊進行優化時，相較于傳統的慣性虛擬頻率電壓輸出指令而言，其電壓模塊指令中主要包含兩部分，即電壓無功下垂指令和調節無功功率誤差指令。這兩個指令能夠提高電壓模塊自動化調節的精準性，保證并網運行過程中電壓充分滿足系統運行需求。本文結合無功電壓這一方法手段，對電壓模塊展開優化控制，通過引入比例積分，將無功功率偏差造成的輸出電壓波動降至最低狀態，從而實現對分布式逆變電源電壓參數的有效調控，電壓形式可以參考下列公式予以分析：

式中，k為比例積分的參數；Qref為輸出功率參考值。該公式中引入的比例積分即為PI。在比例積分控制器運行下，即便系統運行出現干擾項，相應的電壓模塊也能夠及時進行調節，進而找到系統運行的平衡工作點，保證系統運行穩定。

3.4 優化方案驗證分析

通過進行仿真試驗，對于本文中的優化方案進行驗證，分別進行兩組試驗，一組采用自適應阻尼系數進行控制，另一組選擇固定阻尼系數進行控制，將兩組試驗結果進行仿真對比［5］。結果表明，采用自適應阻尼系數進行控制的系統，在輸出有功值小于試驗設定值時，k值大小與系統響應速度呈現負相關，即k越大，系統響應速度越慢。在輸出有功值大于試驗設定值時，k值大小與系統超調之間同樣成反比，即k越小，系統超調越高。由此看出，采用自適應阻尼系數進行控制的系統其輸出有功更具動態性，結果更加精準。因此，自適應阻尼系數能夠優化IIDG的輸出特性，減少系統運行中干擾項的影響，保證分布式電源平穩運行。

4 結束語

綜上所述，分布式電源在VSG技術導向下能逐步擁有良好的自適應阻尼控制功能，進而增強供電穩定性和可靠性。據此，應圍繞技術原理從VSG仿真模型、參數優化、控制模塊、方案驗證等方面著手，逐步解決消除欠阻尼風險和減小頻率偏差等問題，便于在實踐研究階段歸納分布式電源改造設計經驗，助力該產品實現大規模應用推廣，滿足電能用戶高質量用電服務需求。