王 正　陈其工　高文根

(安徽工程大学安徽省检测技术与节能装置重点实验室， 安徽 芜湖 241000)



基于虚拟同步发电机技术的微电网逆变器控制方法

王 正陈其工高文根

(安徽工程大学安徽省检测技术与节能装置重点实验室， 安徽 芜湖 241000)

摘要：在介绍典型的虚拟同步发电机技术以及传统的频率下垂控制策略的基础上，提出一种新型的虚拟同步发电机技术，让微电网既有下垂控制特性，又具备类似同步发电机转子的特性。通过分析对比不同频率下系统的稳定性，验证了控制策略的有效性。

关键词：微电网； 控制策略； 虚拟同步发电机； 频率稳定性

近年来，能源短缺问题日趋严重。在各国政府的大力支持下，微电网发电技术以其高效的能源利用率、高可靠性、小污染等诸多优点成为国内外研究的热点[1-2]。与传统的同步发电机相比，分布式发电技术大部分采用电力电子接口逆变器接入电网，带有接口逆变器的微电网响应速度快，缺少类似同步发电机的转子环节惯性[3]。

目前国内外许多机构、高校的学者对虚拟同步发电机技术进行了广泛研究，许多虚拟同步发电机技术VSG(Virtual Synchronous Generator)应运而生。比利时鲁汶大学提出的VSG技术[4]，虽然模拟了同步发电机的一次调频特性，但是同步发电机的励磁环节未能准确反映出来；克劳斯塔尔工业大学提出的VSG技术[5]，虽然更好地模拟出同步发电机的一次调频、一次调压特性，但是控制精度受参数的影响；加拿大多伦多大学提出的VSG技术[6]，未能反应同步发电机的电磁暂态过程；清华大学提出的VSG技术[7]，虽然能支撑系统的频率，但是在多机并联运行时因惯性环节的存在，使得系统机组均流速度变慢；Driesen等人提出的VSG技术，是在逆变器中添加一个能够短期储能的装置，虽然可以有助于电网频率的短期稳定，但是从动力学的角度看不适用于同步发电机的设计。本次研究提出了一种新型的VSG技术，可以更加充分地反应同步发电机的特性。

1VSG数学模型的建立

1.1电气部分建模

定子绕组可看作一个自感为L，互感为-M的线圈。励磁绕组看作是一个自感为Lf的线圈。则三相绕组之间的互感分别为：

Maf=Mfcosθ

式中，Mf>0。

则绕组的磁链方程为：

Φa=Lia-Mib-Mic+Mafif

Φb=-Mia+Lib-Mic+Mbfif

Φc=-Mia-Mib+Lic+Mcfif

Φf=Mafia+Mafib+Mafic+Lfif

式中：ia、ib、ic分别为三相定子电流；if为转子励磁电流。

定义：

这里只研究不存在中性线的情况，则有：

ia+ib+ic=0

可得定子磁通量：

(1)

其中，Ls=L+M。

可得转子磁通量：

(2)

式中：〈,〉表示内积。

设：定子绕组的电阻为Rs，转子绕组的电阻为Rf，则有：

(3)

由于转子运动所产生的电动势e=[eaebec]T为反电动势，且可表示为：

(4)

则转子端电压 vf为：

(5)

1.2机械部分建模

转子的机械运动方程如下：

Jθ″=Tm-Te-Dpθ′

(6)

式中：J —— 转动惯量；

Tm—— 机械转矩；

Te—— 电磁转矩；

Dp—— 阻尼系数。

由于Φf为常数，即不存在反电动势，则：

(7)

2VSG的实现

2.1VSG主电路设计

VSG主电路拓扑结构如图1所示。

图1中电容器的电压即为VSG的端电压v=[vavbvc]T。左侧电感器的电感Ls和电阻 Rs组成VSG定子绕组的阻抗。因假设if为常量，则式(4)可简化为：

(8)

图1　VSG主电路拓扑结构

定义逆变器的有功功率为P，无功功率为Q，则：

P=〈i,e〉；Q=〈i,eq〉

则：

则：

(9)

将式(6)改写为：

3VSG控制器的设计

3.1有功-频率控制

将传统的频率下垂控制方法运用在VSG技术中，通过比较虚拟角速度的一阶导数θ′和角频率的参考值的一阶导数θr′(一般取θr′等于微电网额度角频率的一阶导数θn′)，将差值乘以一个增益环节便得到Tm。

图2　VSG控制器设计图

图2中，阻尼系数Dp由虚拟转子总转矩的改变量ΔT和角频率的改变量Δθ′的比值表示，即：

J=τfDp

3.2无功-电压控制

与频率-有功下垂控制相类似，同样在VSG中实现无功功率的调节。定义电压下垂控制系数为Dq，由无功功率的改变量ΔQ和电压的改变量Δv的比值表示，即：

如图2下半部分所示，无功功率控制也是一个双环控制结构，内环为电压控制环，外环为无功功率控制环。

4VSG的仿真结果

在仿真过程中，取：Dp=0.202 6，意味着频率下降0.5%时，转矩增加100%。Dq=117.88，τf=0.002 s,τv=0.002 s，求解微分方程选用ode23t，最大步长为0.2 ms。从t=0开始仿真，因采用锁相环PLL(Phase Looked Loop)用于初始同步，仿真中省去了0.5 s的图形。设定有功功率参考值Pset和无功功率参考值Qset的起始值均为0，在t=1 s时接通电路，在t=2 s时设定有功功率参考值Pset=80 W，在t=3 s时设定无功功率参考值Qset=60Var，在t=4 s时将VSG技术引入，在t=5 s时将微电网的电压降低5%。

采用VSG技术模拟了系统的频率、电压标准值、有功功率 、无功功率的跟踪，并且分别在频率为50.00 Hz以及频率下降0.5%即49.95 Hz下进行仿真对比，如图3所示。

图3　不同频率下的对比仿真图

5结语

本次提出的新型VSG技术能够模拟同步发电机的电磁暂态过程、转子特性以及一次调频、调压控制，能够更加充分地反映同步发电机的特性，并且在有功功率、无功功率的调节过程中存在积分环节，可以实现无差调节。但是VSG技术的研究还有众多待解决的问题，例如，VSG与其他单元之间的协调控制以及多机并联运行时的系统稳定性问题等。

参考文献

[1] LASSETER R H, PAIGI P. Micro-Grid: A Conceptual Solution [C]∥IEEE.Proceedings of the 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference: Vol.6. Aachen:[s.n.], 2004: 4285-4290.

[2] 鲁宗相，王彩霞，闵勇，等.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007，31(19)：100-107.

[3] VISSCHER K, SWH D H. Virtual Synchronous Machines (VSG’S) for Frequency Stabilization in Future Grids with a Significant Share of Decentralized Generation [C]∥CIRED. Proceedings of CIRED Seminar: Smart Grids for Distribution. Frankfurt:[s.n.], 2008:1-4.

[4] LOIX T. Participation of Inverter-connected Distributed Energy Resources in Grid Voltage Control[D].Leuven: Katholieke Universiteit, 2011:11-12.

[5] CHEN Y, HESSE R, TURSCHNER D, et al. Improving the Grid Power Quality Using Virtual Synchronous Machines Power Engineering[C]∥Institute of Electrical Power Engineering, Clausthal Vniversity of Technology, Germany. Energy and Electrical Drives, 2011 International conference on. Torremolinos:[s.n.], 2011:1-6.

[6] GAO F, IRAVANI M R. A Control Strategy for a Distributed Generation Unit in Grid-Connected and Autonomous Modes of Operation[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2008,23(2): 850-859.

[7] 杜威,姜齐荣,陈蛟瑞.微电网电源的虚拟惯性频率控制策略[J].电力系统自动化,2011,35(23):26-33.

Micro-Grid Inverter Control Method Based on Virtual Synchronous Generator Technology

WANGZhengCHENQigongGAOWengen

(Key Laboratory of Detection Technology and Energy Saving Devices, Anhui Polytechnic University,Wuhu Anhui 241000, China)

Abstract:This paper described the typical virtual synchronous generator technology as well as traditional droop control strategy and proposed a new virtual synchronous generator technology that would allow micro-grid to have droop control characteristics with similar characteristics of synchronous generator rotor. Through analysis and comparison of the stability of the system at different frequencies, simulation results showed the effectiveness of the control strategy.

Key words:micro-grid; control strategies; virtual synchronous generator; frequency stability

收稿日期：2016-01-06

基金项目：安徽省科技攻关项目“分布式智能微网关键技术攻关与集成应用”(1301022045)；国家863计划项目“户用光伏发电智能控制模块集成技术研发及示范”(2015AA050608)；芜湖市科技计划重大项目“面向电动汽车充电装置的光伏微网关键技术研究与应用”(2014ZD23)

作者简介：王正(1988 — )，男，安徽滁州人，安徽工程大学在读硕士研究生，研究方向为微电网运行与控制装置。

中图分类号：TM464

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)03-0129-04