施 凯, 叶海涵, 徐培凤, 焦 龙

(江苏大学电气信息工程学院, 江苏省镇江市 212013)

0 引言

随着基于电力电子技术的分布式电源在电网中的渗透率不断增加,高铁、电动汽车等新负荷的快速发展和广泛接入,使得电网中传统同步发电机(SG)的装机比例逐渐降低,源—网—荷系统的惯性和阻尼愈发不足。近年来,有学者融合电力电子设备的灵活性与SG的运行机制,提出了虚拟同步发电机(VSG)的变流器控制新技术[1-3]。目前,针对VSG技术,已在预同步控制与柔性接入[4-6]、二次调频[7-8]、惯性自适应[9-11]等方面进行了广泛深入的研究,在直流输电、静止无功发生器、风力和光伏发电、充电桩及微电网等领域均有涉及,并取得了相应成果。

虽然VSG技术可为电网提供动态的频率支撑,然而其电压源特性很大程度上限制了它对电流的控制能力。当其在电网故障环境中运行时,不仅会产生巨大的冲击电流且稳态输出电流难以抑制,也无法自动地为电网提供无功支持。文献[12]提出一种用附加电流环平衡电流控制方法,用于在电网电压不平衡时抑制VSG的负序电流。但VSG难以提供无功支撑,并且容易出现输出电流幅值越限的现象。文献[13-14]提出基于模式平滑切换的VSG低电压穿越(LVRT)控制方法及其模式间的平滑切换算法,但是该方法未对切换的暂态过程及稳定性情况进行深入分析,未论证电网故障期间系统依旧能模拟同步发电机运行优势。文献[15]提出不切换算法的附加电流环方法,引进VSG功角负惯量成果[16],研究成果对后续深入研究极具指导性意义。文献[17]在VSG控制算法中加入虚拟阻抗模拟SG定子电压方程,但未涉及电流环参数设计方法及对VSG运行特征的影响分析。文献[18]将虚拟电阻技术与相量限流方法相结合,但该方法仅从限流角度展开研究,未考虑VSG在LVRT环境下的自身响应特征。

本文将SG并网运行时的无功调节原理和LVRT运行控制要求结合,从系统励磁状态角度解决VSG的LVRT控制问题。首先，依据SG无功调节原理分析VSG的LVRT响应,表明过大的无功增量将会使系统进入过励磁状态,加剧故障负面影响。然后,分别改进下垂特性、无功环和有功环的设计,保持VSG运行特征,加速励磁状态转换过程;在保持VSG特性的前提下改进附加电流环,辅助系统运行于欠励磁状态。最后,仿真证明该方法在电网故障期间无需切换控制算法,也无需加入状态间平滑切换策略,可同时应对LVRT问题和电网不对称跌落问题。

1 基本原理

1.1 VSG基本原理

VSG经典控制框图如图1所示。图中,udc和idc为直流母线电压和电流;Qi为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件(i=1,2,…,6);Ls1,Rs1,Ls2,Rs2,C,R3为LCL滤波器参数;igk为第k相电流;vgabc和igabc为滤波器输出的电压和电流;um为VSG控制模块输出调制波;uin为输入附加电流环的调制波，SVPWM表示空间矢量脉宽调制。

图1 VSG控制框图Fig.1 Block diagram of VSG control strategy

图1中,有功环和无功环的具体数学模型为:

(1)

式中:P*和Q*分别为有功功率和无功功率给定值;Dp和Dq分别为P-f和Q-V下垂系数;P和Q分别为有功功率和无功功率的反馈值;J和K分别为有功环和无功环的惯性系数;ω*和ω分别为额定电角速度和虚拟转子电角速度;V*和V分别为额定电压幅值和输出电压幅值;E为VSG电势。

采样LCL滤波器输出的电压和电流,用有功环和无功环模拟SG的下垂特性,用预同步算法模拟SG并网调节过程。经过虚拟阻抗和附加电流环后,采用SVPWM模块驱动并网逆变器,将分布式电源等效为SG。

1.2 SG并网无功调节基本原理

图2 SG无功调节示意图Fig.2 Schematic diagram of reactive power regulation of SG

由于稳定运行时发电机的电磁功率Pe和输出有功功率P近似保持不变,则

(2)

在电网稳定时,m,Vg和Xs都是常数。因此可将式(2)简化为:

(3)

设定近似单位功率因数运行时，同步机处于正常励磁状态。根据此时的SG定子电压方程为:

(4)

在电网电压下跌时,原无功环将会导致VSG电势瞬间且持续性增大,使系统进入过励磁状态,产生巨大冲击电流。为应对此问题,并使系统在电网故障期间依旧能够模拟SG运行优势,现将上述原理应用至LVRT问题。若电网故障发生瞬间,VSG瞬间进入欠励磁状态,发出容性无功支撑,限制有功输出。并且,在电网故障恢复瞬间,VSG瞬间恢复至正常励磁状态,恢复功率输出。基于此控制思想,VSG的LVRT过程将不会产生冲击电流,输出电流不会过大,能够提供无功支撑。

可见,正是由于VSG技术拥有电力电子和SG的双重特征,才能运用电力电子技术实现上述设想,拓展SG运行优势的适用范围。

2 VSG的LVRT控制新方法

2.1 基本思路

如上述分析,尝试将传统SG与电网并联运行时的无功调节原理应用于LVRT问题中。不改变原有的控制结构,不增加额外的控制算法,拓展VSG模拟SG运行特征的适用范围,是VSG的LVRT控制策略的设计核心。为此,本文从系统励磁状态角度提出VSG的LVRT控制基本思路,具体如下。

1)在电网正常、电网扰动阶段使系统近似单位功率因数运行,模拟SG的正常励磁状态运行特征及下垂特性响应。

2)检测到电网故障发生瞬间和恢复瞬间,迅速调节逆变器输出基波电势,使系统快速实现正常励磁和欠励磁状态间的相互过渡,抑制冲击电流。

3)在LVRT过程中,使系统减小有功输出,发出容性无功支撑,模拟SG欠励磁状态运行特征。

2.2 方法设计

根据VSG的LVRT控制新方法的基本思想,分别改进VSG的Q-V下垂特性、有功环和无功环,重新设计附加电流环,其整体框图如图3所示。图中,Vpabc为电网电压的正序分量幅值,k′为可变电压倍数，PLL为锁相环。

图3 VSG的LVRT控制新方法整体框图Fig.3 Overall block diagram of novel LVRT control strategy of VSG

根据GB/T 12325—2008设定电压幅值偏差±7%,根据GB/T 15543—2008设定不平衡度4%,应用双同步PLL模块分离电网电压的正序和负序分量,应用电网故障检测模块实时比较当前检测值和设定值的大小。若当前电压幅值偏差大于±7%或不平衡度大于4%,则认为电网发生故障。其中,双同步PLL模块借鉴文献[20-21]。

当电网电压下跌幅度过小,系统判定此时处于电网扰动而非电网故障时,根据双同步PLL计算所得Vpabc直接触发原下垂响应。此时,无功给定值取Q*,无功反馈取Q,有功给定值取P*,有功反馈取P。由式(1)可知，此时系统表现出原VSG响应特征。

(5)

式中:系数0.05用于防止电网电压跌至0时系统运算出错。

可见,此时电网电压幅值经式(5)放大，可使电压反馈值与额定值抵消。因此,可屏蔽Q-V下垂作用,以免产生过大无功增量而使系统进入过励磁状态,扩大电网故障恶劣影响。

屏蔽下垂特性且功率反馈直接赋值给功率给定值后,由式(1)中无功环表达式可知,等式左侧为0。因此,可将VSG电势保持在故障发生前的值。同理可知,LVRT时可将VSG角速度保持在故障发生前的值。可见,方法中的Q-V下垂特性、有功环节和无功环节的改进设计有利于限制故障产生的负面影响,使VSG凭借自身稳定性完成LVRT。

2.3 新附加电流环

本文方法借鉴基于旋转坐标系下的电流环,并选取图1中方向uin为d轴方向,具体实现如图4所示。图中PI为比例—积分环节;P为比例环节。

图4 新附加电流环框图Fig.4 Block diagram of redesigned additional current loop

如图4所示,将电网电压先用双同步PLL模块得到三相正序电压,再用θin换算至d,q坐标系下。该电流环方法可将电网对称和不对称跌落故障统一处理,并具备抑制负序电流的能力。本文方法将比例—谐振(PR)双环控制中计算给定电流的思路应用于旋转坐标系中[22],如图中红色虚线框部分所示。

基于旋转坐标系下的电流环表达式为:

(6)

(7)

综上分析,新附加电流环在电网稳定时可作为跟随器传递VSG蕴含的SG特性。在电网发生对称和不对称跌落故障时,可辅助系统欠励磁状态运行。

3 仿真验证与分析

在MATLAB/Simulink中搭建如图1所示仿真模型,对上述理论分析和所提LVRT控制方法进行验证。系统主要仿真参数见附录A表A1。

3.1 LVRT控制仿真验证

图5为LVRT仿真结果。用预同步算法和准同期算法使系统并网运行,2.5 s时三相电压全部下跌至0.2 (标幺值),持续0.625 s,并设定电流倍数ki为1.3。

在图5(a)所示对称跌落下进行验证。如图5(b)所示,约1.5 s时开始并网,切除预同步算法,功率给定以斜坡形式上升,约2 s时系统进入稳定运行。本文采用的预同步算法借鉴文献[23],若考虑交流接触器动作时间,可根据产品动作时间优化导前角计算和预同步PI整定,以便重新实现柔性并网。

如图5(b)所示,2.5 s和3.125 s时电网电流未产生冲击,暂态调节过程短,稳态电流约为1.3(标幺值)。并且,虚拟阻抗可辅助系统在电网故障恢复瞬间减小输出功率,正如理论分析所示。如图5(c)所示,本文方法可抑制有功振荡,并且能有效抑制有功输出,减小电网故障期间的稳态输出电流。如图5(d)所示,本文方法可有效抑制无功环与有功环之间的耦合情况,在欠励磁状态下系统可按式(7)提供相应的无功支撑。综合上述仿真结果,本方法可有效实现欠励磁状态和正常励磁状态之间的相互转换。

3.2 电网不对称跌落故障仿真验证

图6为电网不对称跌落故障仿真结果。系统并网后,2.5 s时a相下跌至0.2(标幺值),b相和c相不变,持续0.625 s。此时,ki依旧设定为1.3。

在图6(a)所示不对称跌落故障下进行验证。如图6(b)所示,电网电流在2.5 s和3.125 s处同样都不会产生冲击,故障期间电网电流幅值稳定在1.3(标幺值)附近。但是,虚拟阻抗的引入将会使uin产生畸变,进而降低了电网电流的正弦度。图6(c)和(d)为基波有功功率和基波无功功率波形图,在不对称故障下本文方法依旧可以稳定运行于欠励磁状态,抑制有功输出,提供相应无功支撑。至于图6(e),直流母线电流有倍频波动,仿真结果与不对称故障的基本理论相符。

图5 LVRT仿真结果Fig.5 Simulation results under LVRT

4 结语

本文借鉴SG与电网并联时的无功功率调节理论,在不改变原VSG控制结构的情况下分别改进了下垂特性、无功环和有功环的设计,在不改变系统VSG特性的基础上重新设计附加电流环。在电网故障发生瞬间和恢复瞬间无冲击电流,暂态过程短,稳态电网电流控制在1.3(标幺值),且能提供无功支撑。仿真结果证明在电网故障期间,本文方法无需切换控制算法,也无需另加入状态间平滑切换策略,可同时应对LVRT问题和电网不对称跌落问题。

图6 电网不对称跌落故障仿真结果Fig.6 Simulation results under the asymmetrical drop

本文方法致力于充分发挥VSG的固有优势,并非仅局限于LVRT问题。将本文所提思想应用于提高暂态响应性能、适应多样运行环境及其相互转化等复杂运行环境中,都有待进一步研究。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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施 凯(1980—),男,博士,副教授,主要研究方向:电气工程、新能源发电系统及并网技术。E-mail： shikai80614@163.com

叶海涵(1994—),男,硕士研究生,主要研究方向:新型风力发电机组控制技术。E-mail: yehaihan2016@163.com

徐培凤(1980—),女,通信作者,博士,副教授,主要研究方向:新型风力发电机设计及控制。E-mail: xupeifeng2003@126.com