虛擬同步發電機的無縫切換控制技術

白 薇,劉立群,張聰明,馬立群

(太原科技大學電子信息工程學院，山西 太原 030024)

虛擬同步發電機的無縫切換控制技術

白 薇,劉立群,張聰明,馬立群

(太原科技大學電子信息工程學院，山西 太原 030024)

對微電網中并網逆變器的虛擬同步發電機(VSG)控制策略進行了研究。首先，搭建了VSG控制的功頻調節部分和勵磁調節部分。VSG通過模擬同步發電機的慣性和阻尼特性，實現了并網和離網的獨立運行，但是在并離網切換時容易出現電流和電壓沖擊。為實現并離網的平滑切換，提出了一種離網模式下恒壓/恒頻控制、并網模式下VSG控制的控制策略。在離網運行時，恒壓/恒頻控制模式為負載提供電壓和頻率的支撐；在并網運行時，由VSG控制模式提供。同時，詳細地分析了調差系數、阻尼系數和轉動慣量對功頻特性的影響。最后，利用Matlab/Simulink搭建仿真模型，驗證該控制策略的有效性。仿真結果表明：該控制策略解決了微電網在不同模式之間的無縫切換問題；與傳統的切換過程相比，減小了切換過程中的電壓和電流沖擊，提高了微電網在運行過程中的穩定性，可以應用于多微源并聯的微電網。

微電網； 并網逆變器； 無縫切換； 虛擬同步發電機； 調頻調壓； 功頻特性； 預同步； 勵磁特性

0 引言

近年來，隨著能源短缺、全球變暖和化石能源污染等問題的日益嚴重，可再生能源的利用已成為全球研究熱點。分布式發電以其靈活性、清潔性和普遍性的特點，已成為頗具前景的微電源之一。但是當其大規模接入電網時，也帶來了許多新的問題[1-2]，如不易控制、隨機性波動性較大等，進而會威脅電力系統的安全穩定運行。為了解決上述問題，眾多學者對逆變器的控制策略進行了深入的研究，并提出了虛擬同步發電機(virtual synchronous generator，VSG)控制方法[3-5]。該控制方法具有同步發電機的外特性，為穩定性較差的微電網提供了必要的慣性和阻尼作用[6-7]。

本文研究了虛擬同步發電機控制技術的數學模型、有功頻率和無功電壓的控制策略。針對虛擬同步發電機的并離網切換問題，提出了一種新的逆變器控制方法，避免了切換過程中的電流沖擊。通過搭建Matlab仿真模型，驗證了所提控制策略的正確性。該研究為微電網的運行控制提供了一條新的途徑。

1 VSG控制

1.1 VSG控制逆變器主電路

VSG控制逆變器主電路采用了同步發電機的二階方程：

(1)

分布式電源一般經過逆變器接到微電網中，本文設計的VSG控制的逆變器主電路結構如圖1所示。逆變器采用三相電壓源型逆變器，開關器件采用絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)，濾波電路采用電感電容濾波?？紤]到當并網系統線路較短時，可忽略線路的影響，故逆變器經過濾波電路直接接負載或電網。

圖1 VSG控制逆變器主電路圖

1.2 有功頻率控制策略

VSG的功頻調節電路由原動機調節加轉子調節構成，如圖2所示。

圖2 功頻調節電路圖

原動機的方程為：

(ω0-ω)Kw+Pref=Pm

(2)

同步發電機的轉子運動方程為：

(3)

(4)

式中：ω0為角頻率的參考值；ω為公共母線的角頻率；Kw為有功功率的下垂系數；Pref為有功功率的輸入設定值；Pm為逆變電源的輸入功率；P為逆變電源的輸出功率；D為阻尼系數；J為轉動慣量；ωN為額定轉子角速度。

由式(2)～式(4)可得有功頻率調節控制框圖，如圖3所示。

圖3 有功頻率調節控制框圖

由上述分析可見，VSG的功頻調節關系滿足下垂特性。當負荷變化導致系統頻率改變時，VSG自動調節輸入功率，從而保證系統的有功和頻率穩定。

1.3 無功電壓控制策略

無功電壓控制是同步發電機的主要部分，它可以使系統電壓保持在一定的水平，并確保多個發電機并聯的無功功率分配均衡，從而使系統穩定運行。

發電機機端電壓幅值Um與參考電壓Uref相比較后得到電壓偏差，經比例積分(proportion integration,PI)控制器調節后供給發電機勵磁繞組。Um在并網運行時與系統的母線電壓一致。Uref是一個與無功功率Q有關的量，隨著Q的增加而減小。

Uref=UN+Kv(Qref-Q)

(5)

式中：Qref為無功功率的輸出設定值；Kv為無功功率的下垂系數；UN為逆變電源端電壓參考值。

PI調節用來保證輸出電壓穩定。由式(5)得到勵磁調節控制框圖，如圖4所示。

圖4 勵磁調節控制框圖

由圖4可見，VSG的無功電壓滿足下垂特性。VSG的無功電壓控制通過改變Kv調節下垂特性，并參與電網的一次調壓，以提供必要的無功支撐。

2 微電網無縫切換的實現

并網和離網是微電網的兩種運行模式。為研究微電網的運行特點，需研究逆變器的并網、離網運行方式，以及這兩種運行方式的無縫切換技術。當微電網處于并網運行時，大電網給系統的微源提供電壓和頻率支撐，逆變器可以采用恒功率控制；當轉入離網運行模式時，則需要微源提供電壓和頻率的支撐，逆變器可以采用恒壓/恒頻控制。并網逆變器需滿足這兩種模式的切換要求。但在切換時，易出現電流或電壓沖擊。針對這一問題，文獻[8]～文獻[10]提出了多種解決方法。

恒壓/恒頻控制過程中缺乏慣性和阻尼特性，無法實現功率階躍以及并離網的無縫切換切換。由前文分析可知，VSG模擬了同步發電機的慣性和阻尼特性，可以實現并網、離網的獨立運行。所以，當大電網斷開后，可以實現并離網的平滑切換。本文研究的是離網模式下的恒壓/恒頻控制，以及并網模式下VSG控制。

2.1 離網向并網切換

當微電網由離網向并網切換時，VSG輸出的電壓頻率與電網的電壓頻率有一定的偏差。在不合適的時候將微電網投入到電網中，可能會導致電網產生很大的沖擊電流，使微電網切換失敗。VSG離并網模型如圖5所示。

圖5 VSG離并網模型示意圖

如果使電網電壓和VSG輸出電壓相同，就可以實現離網向并網的無縫切換。以下將討論離并網的切換過程。

以a相為例，兩電壓的瞬時值差為：

(6)

(7)

(8)

由式(6)～式(8)可知，離網運行的微電網和大電網電壓存在幅值和相位的偏差，最大的差值為2U。故在電壓大小和相位不同步的情況下，將微電網投入到電網中，會產生較大的并網沖擊電流，使得切換失??；即使切換成功，也會造成電壓波形畸變，降低電能質量。因此，需選擇一種穩定的切換方式。本文在文獻[11]的基礎上，提出了一種更好的切換策略，即預同步控制。

虛擬同步機并網前，需要將預同步單元與電網同步。由式(7)可知：當VSG輸出的電壓U和電網電壓U0的幅值相位都相等時，得PS=0。由此可得預同步控制框圖，如圖6所示。并網前，閉合開關并啟動預同步；并網后，關閉預同步并斷開開關。由此，實現了并網運行。

圖6 預同步控制框圖

2.2 并網向離網切換

微電網由并網向離網切換時，為保證不對負荷和電網產生沖擊電流，需要使逆變器和電網之間不存在功率交換，這樣線路中就不會有電流通過了。由上文分析可知，虛擬同步機模擬了同步發電機的特性，可以將其等效成一個獨立的電壓源。當電網切斷后，虛擬同步機仍然能保持并網時的狀態，并提供電壓和相位支撐，使微電網在并離網切換時不會出現明顯的暫態過程，實現自然的平滑切換。由于VSG具有一次、二次調頻、調壓的特點，它可以不斷地修正有功功率和無功功率，直到新發電機的電壓和相位平衡，滿足了微電網內有功、無功的交換平衡。

3 仿真結果和分析

為驗證本文策略的正確性，通過Matlab/Simulink搭建了虛擬同步機控制的微電網仿真模型。Matlab仿真模型的主要參數為：直流側電壓Udc=800 V，濾波電容C=50 μF，濾波電感L=0.002 H，電阻R=0.01 Ω，ω0=314 rad/s，基準電壓U=311 V，Kw=300，阻尼系數D=4，轉動慣量J=0.1，Pref=20 kW。

3.1 離網過程分析

在離網模型運行時，逆變器采用恒壓/恒頻控制。當閉合開關，給虛擬同步機加入阻感負載時，電壓和頻率保持不變，運行于恒壓/恒頻模式。離網運行時，電壓和電流波形如圖7所示。由圖7可知，離網過程中，電壓和電流沒有明顯的波動。

圖7 離網電壓和電流波形

3.2 離并網切換

在離并網切換時，電壓波形對比如圖8所示。由圖8可知，經過緩慢調節使得VSG輸出的電壓幅值相位與大電網的電壓相差足夠小，加入預同步約0.2 s后，可以快速地實現微電網和電網電壓的同步，完成離并網的切換。

圖8 電壓波形對比圖(離并網)

離并網切換時，電流波形對比如圖9所示。傳統的離并網切換過程容易產生很大的沖擊電流，在0.8 s并網時會有諧波產生，如圖9(a)所示。其在并網瞬間產生的沖擊電流是正常運行時的2.8倍，會對電網以及逆變器造成較大的危害，嚴重影響了負荷的正常工作。本文使用預同步控制實現了電流的平滑切換，改進后的電流波形如圖9(b)所示。該方法減少了沖擊電流，并且在切換過程中的電流變化量小于5%，改善了切換效果，使切換順利進行。本文提出的改進策略，切換前VSG輸出電壓已與電網電壓保持同步，且切換過程中沒有出現電流沖擊，因此能迅速跟蹤功率指令。

圖9 電流波形對比圖(離并網)

3.3 并網過程分析

在并網模式運行時，逆變器采用VSG控制。當微電網有功、無功階躍時，VSG具有良好的動態性能。突加有功功率時，VSG的頻率會突增。這是因為它模擬了同步發電機，通過改變轉速功角，向電網發送有功功率。

不同參數下的有功功率階躍響應波形如圖10所示。

圖10 有功功率階躍響應波形

由圖10可知，調差系數Kw越大，系統超調量越小，調節時間越短；阻尼系數D越大，系統超調量越小，調節時間越短；轉動慣量J越小，系統超調量越小，調節時間越短。故D越大，J越小，Kw越小，系統越穩定。

3.4 并離網切換

并離網切換時，為保證微電網的離網穩定運行，VSG參與了微電網的電壓和頻率調節，電壓波形對比如圖11所示。由圖11可以看出，VSG輸出的電壓幅值相位與大電網的電壓差逐漸變大。在并網轉離網瞬間，電流沒有突變，說明切換成功。

圖11 電壓波形對比圖(并離網)

4 結束語

本文基于微電網的虛擬同步發電機技術，研究了并離網切換的控制策略，解決了微電網在不同模式之間的無縫切換問題。所研究的并網逆變器模擬了同步發電機的慣性和阻尼特性，提高了微電網運行的穩定性。針對微電網運行特性，提出了一種并離網之間的切換方法，實現了頻壓控制和VSG控制之間的切換。在離網運行時，電壓頻率控制模式為負載提供電壓和頻率的支撐；在并網運行時，改由VSG控制模式提供，避免了切換過程中的電壓和電流沖擊。由于每個逆變器都可以獨立地運行，并且控制簡單、易實現，通過搭建Matlab/Simulink仿真模型，驗證了所提控制策略的有效性。該控制策略可推廣到多臺微電網的并聯運行中，具有一定的實用價值。

[1] 崔劍,王金梅,陳杰,等.光伏并網逆變器性能指標檢測與分析研究[J].自動化儀表,2015,36(9):84-87.

[2] 張文煜,劉立群,楊凱.微電網的功率控制系統設計[J].自動化儀表,2014,35(12):13-18.

[3] 侍喬明，王剛，付立軍，等．基于虛擬同步發電機原理的模擬同步發電機設計方法[J]．電網技術，2015，39(3)：783-790．

[4] 王克，王澤忠，柴建云，等.同步控制逆變電源并網預同步過程分析[J]．電力系統自動化，2015，39(12)：152-158．

[5] 張玉治，張輝，賀大為，等.具有同步發電機特性的微電網逆變器控制策略[J]．電工技術學報，2014，29(7)：261-267．

[6] 顏湘武，劉正男，張波，等．具有同步發電機特性的并聯逆變器小信號穩定性分析[J]．電網技術，2016，40(3)：910-917．

[7] 張建華，蘇玲，劉若溪，等．逆變型分布式電源微網并網小信號穩定性分析[J]．電力系統自動化，2011,35(6):76-80.

[8] LI Y W，VILATHGAMUWA D M，LOH P C．Design,analysis,and real-time testing of controller for multibus microgrid system[J]．IEEE Transactions on Power Electronics,2004，19(5)：1195-1203．

[9] 王曉寰，張純江．分布式發電系統無縫切換控制策略[J]．電工技術學報，2012,27(2):217-222．

[10]YAO Z L，XIAO L，YAN Y G．Seamless transfer of single-phase grid-interactive inverters between grid-connect and stand-alone modes[J]．IEEE Transactions on Power Electronics,2010，25(6)：1597-1602．

[11]周林，鄭光輝，廖波．一種微電網分布式電源新型控制策略[J]．電力建設，2014(6)：38-43．

SeamlessSwitchingControlTechnologyofVirtualSynchronousGenerator

BAI Wei，LIU Liqun，ZHANG Congming，MA Liqun

(School of Electronic Information Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024，China)

The strategy of virtual synchronous generator(VSG) control for grid connected inverters in microgrid is studied.Firstly,the power frequency regulation section and the excitation regulation section of VSG control have been built.VSG simulates the inertia and damping characteristics of synchronous generator,which can realize the independent operation of grid connected and grid disconnected.But,during switching process of grid connected and disconnected,voltage and current shocks may occur.In order to realize smooth switching,a control strategy of constant voltage and constant frequency control in the off-network mode and VSG control in grid connected mode is proposed.In grid disconnected operation,constant frequency and constant voltage control provides the voltage and frequency support for the load.In grid connected operation,these are supplied by the VSG control mode.Then,the influences of the adjustment coefficient,the damping coefficient and the moment of inertia on the power frequency characteristics are analyzed.Finally,the effectiveness of the proposed control strategy is verified by a simulation model based on Matlab/Simulink.The simulation results show that the control strategy solves the seamless switching between different operation modes of microgrid;compared with the traditional switching process,the voltage and current shocks in switching process are reduced and the stability of the micro grid in the operation process is improved; it can be used in micro grid which consists of multiple micro sources in parallel.

Micro grid; Grid connected inverter; Seamless switching; Virtual synchronous generator; Frequency modulation and voltage regulation; Power frequency characteristic; Presynchronization; Excitation characteristic

修改稿收到日期:2017-07-08

山西省應用基礎研究基金資助項目(201601D011058)、山西省重點實驗室開放課題基金資助項目(MEI201603)

白薇(1991—)，女，在讀碩士研究生，主要從事現代電力電子與新能源發電技術的研究，E-mail:baiwakk@163.com；劉立群(通信作者)，男，博士，教授，主要從事新能源發電系統控制、新能源混合供電系統結構化、智能電網等方向的研究，

E-mail:llqd2004@163.com

TH-39;TP24

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712004