合肥工业大学 教育部光伏系统工程研究中心(安徽合肥230009)朱 丹 苏建徽 吴蓓蓓

0 引言

分布式发电技术是未来世界能源技术发展的重要方向，它具有污染少、可靠性高、能源利用率高、安装地点灵活等多方面的优点，可以有效的解决大型集中电网中许多潜在的问题。但是它很难被电力部门接受，因为数量众多的分布式电源接入现有配电网后，传统的无源配电网络将变为包含有小型电源和负荷的有源网络，能量由单方向从大电网到负荷的流动变为双向流动[1]。这样会带来电网的各种控制策略和保护方法的变化，同时分布式电源的并网运行可能会引起电网电压和频率的偏移、电压波动等电能质量问题，严重威胁电网的安全可靠运行。为了协调大电网和分布式发电之间的矛盾，充分发掘分布式电源的效益，在本世纪初美国电力可靠性技术研究方案协会(CERTS)提出了微电网[2]的概念。

微电网可以联网运行，也可以在电网故障时孤岛运行，不间断地为重要负荷供电。这样微电网不但不会威胁大电网，还可以提高供电的可靠性和电能质量。微电网可靠运行的关键问题是微源逆变器的控制，文献[3]提出了基于下垂特性的逆变器控制方法，该方法存在稳定时电压和频率的偏移的问题。本文基于同步发电机理论提出了虚拟同步发电机的概念，可以无偏差地实现电压和频率的稳定。

1 微电网的基本结构

微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它与大电网是有机整体，该系统通过静态开关(Static Switch)和大电网相连接，基本单元包括微电源、储能装置、管理系统以及负荷。图1为微电网的基本结构图，其中inv为逆变电源，DS为储能装置。

2 虚拟同步发电机模型

图1 微电网基本结构图

同步发电机是电力系统主要发电设备，它的输出阻抗高，可以抑制电流的突变;具有自同步功能，接入大电网时可以被大电网拉同步;转动惯量大，过载能力强。这些特性使其在并网发电上有独特的优势。电力系统对同步发电机的各种调控控制已经相当完善，因此本文提出了虚拟同步发电机 (Virtual Synchronous Generator，简称VSG)的概念，使逆变电源通过相应的控制，对外表现出同步发电机的特性，这样可以把电力系统中各种完善的理论应用到微电网中，解决微电网中逆变器电压、功率调节的技术难题。图2为虚拟同步发电机模型框图。假设直流侧是电压恒定的储能设备，并且允许能量的双向流动。虚拟同步发电机的算法如式(1)所示，采用同步发电机的二阶模型[4-5]，可以有效地模拟发电机的转子机械特性和定子电气特性。

图2 虚拟同步发电机模

3 微电网中逆变电源的控制方法

微电网有两种工作模式:联网运行和孤岛运行，在这两种工作方式下，微电网的控制方式是不完全相同的。孤岛运行时，微电网没有电压和频率参考，要求微电网可以独立地进行电压频率控制。联网运行时，要求微电网能够按照给定指令来发出或吸收一定的有功功率或者无功功率。如何对微电网中的逆变电源进行合理的控制，使微电网在任何模式下都能够满足负荷对电能质量的要求，这是微电网能否可靠运行的关键。本文对这两种工作模式下的控制方法分别进行了分析。

3.1 孤岛运行控制

大电网出现故障时，静态开关就会断开，微电网处于孤岛运行状态，微电网不仅要控制电压频率和幅值的大小，还要对各个逆变电源进行合理的调度[6]。本文提出的孤岛运行的控制策略是:一部分逆变电源进行电压频率控制，目的是调节系统运行时的频率，稳定系统电压。其余的逆变电源进行功率协调控制来满足功率平衡的问题。

图3 电压控制图

图4 频率控制图

图5 一次、二次调频外特性曲线

图6 一次调频控制图

3.1.1 电压频率控制

同步发电机中的励磁调节系统可维持机端电压某点电压水平，并使机组间无功功率Q分配达到合理分配。本文采用同步发电机励磁调节系统的原理来设计虚拟同步电机的电压调节控制器。同步发电机感应电动势幅值计算公式为:

其中 Ga为感应电动势系数，If为励磁电流，ωm为机械角速度。控制框图如下图3所示:

其中 Uref为端电压给定，Igiv为励磁电流给定，E＊0为虚拟同步发电机算法的电压给定。根据电压偏差ΔU来调节励磁电流，进而改变感应电动势的大小，由于控制器采用的是PI调节器，所以可以实现端电压的无差控制[7]。图4所示为频率控制图，其中 Pgiv为机械功率的前馈值，P＊m为虚拟同步发电机算法中的机械输入功率，通过改变同步机的输入机械功率来稳定系统频率。

3.1.2 功率协调控制

电力系统频率波动的直接原因是发电机输入的机械功率和输出电磁功率之间的不平衡。在大电网中，通常要进行一次调频、二次调频、三次调频来调节负荷变化带来的系统频率变化。参阅文献[8]可知，一次调频是针对快速的、幅值较小的随机波动负荷，它利用发电机组的调速器的调节作用，阻止系统频率偏离标准值，一次调频是有差调节，它不一定能保证频率偏移在允许范围内，在这种情况下要由发电机组的同步器来进行二次调频，实现频率的无差控制。图5为一次调频、二次调频外特性曲线。本文将大型电力系统中的一次调频、二次调频技术应用到虚拟同步发电机中。

微电网在孤岛运行时，所有的虚拟同步发电机都可以进行一次调频，参照同步电机的调速器和同步器的原理，我们给出了图6所示的一次调频控制框图。

二次调频由确定的几个虚拟同步发电机承担，采用虚有差调节法[9]进行调节，相当于电力系统中的调频机组，将大电网的自动发电控制中心这一控制单元应用到微电网中，进行相应计算后，按照各个虚拟同步发电机的容量将计划外的负荷分配给各个虚拟同步发电机。各虚拟同步发电机的二次调频准则如下:

式(3)中，P1，P2，…Pi——各机组发出功率——各机组发出功率之和;α1α2…αi——各机组功率分配系数;KG1KG2…KGi——各机组调差系数。将(3)中各式相加可得:

3.2 联网运行控制

微电网在联网运行时，可以把微电网当作是大电网的可控负荷，大电网按照负荷预测曲线给微电网中的各个逆变电源发出有功功率和无功功率指令，各个逆变电源在运行过程中，只需要按照给定的指令运行，负荷变化时由电网来负责调度。电网根据能量优化的准则和各逆变电源的容量给出发电指令，具体控制算法和上述二次调频相同。

4 仿真分析

图7 微电网仿真模型

为了验证上述虚拟同步发电机算法及两种运行模式下控制算法的正确性，本文搭建了如图7所示的仿真模型。其中VSG1的容量为10kW，额定频率为50Hz，额定输出线电压为380V，电枢电阻为 0.03Ω，同步电抗为 0.4mH，转动惯量为 0.36kg＊m2(这些参数按照同步发电机的额定参数进行设定)，VSG2的容量为8kW，其他参数和VSG1相同，VSG3容量为20kW，在仿真中作备用电源使用。负荷1、2为敏感负荷，大小分别为8kW、5kW，负荷3、4为不敏感负荷，大小分别为2kW、5kW，总负荷为20kW。

仿真步骤:开始时，除 KM3外所有开关全部闭合，VSG1和VSG2为功率协调控制，电网给VSG1、VSG2发出指令，1S时改变指令的大小，观察VSG1、VSG2的动态响应;2S时静态开关断开，由于虚拟同步发电机1、2没有足够的容量提供给所有负荷(系统频率会有短暂的下降过程 )，这 时 闭 合KM3使备用电源VSG3投入使用，其控制方式为电压控制，VSG1、VSG2还保持原有的功率协调控制，其输出功率基本不变;3S时切除负荷3，相应的VSG3发出的功率减小2kW。图8为仿真的结果。

图8 仿真结果

5 结论

本文基于电网中同步发电机理论提出的微电网虚拟同步发电机模型既可以在联网模式下执行大电网给定的指令，又可以在孤岛模式下为敏感负荷不间断供电。可以根据系统的需要对虚拟同步发电机进行不同的控制。经过仿真验证，该方法可以满足系统对逆变电源电压和频率的要求。本文的下一步工作将使用多代理控制以及智能控制技术对微电网运行控制，使虚拟同步发电机的可靠性更高。

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