基于改进下垂理论的虚拟同步发电机控制策略

为缓解能源短缺和环境污染带来的影响，光伏、风电等新能源发电系统得到大量推广[1-2]．然而分布式发电系统的间歇性和波动性会对电网运行产生冲击，为减小这种影响，以分布式发电为主的微电网概念被提出．微电网能够平抑分布式发电系统的间歇性和波动性，对分布式能源的应用具有重要意义，因此得到国内外学者的大量关注[3-4]．

微网逆变器作为连接分布式发电系统与微电网的主要电力电子装置，由于其低阻尼与低惯性的特性，使得微电网孤岛运行时面临着频率波动和电压波动等问题[5-6]．现有的孤岛微电网运行模式主要有两种，一种是基于V/f控制的主从控制，该控制方法具有稳定频率和电压的优点，但对主控单元要求较高，不易于系统的扩容，因此实际中应用较少[7]．另一种是基于下垂控制的对等控制，下垂控制可以模拟同步发电机的静态特性，实现微电网的一次调频和一次调压，但下垂控制不具备同步发电机的转子惯性和阻尼特征，通过这种控制方法并网时，系统频率抵御负荷扰动能力较差[8]．通过在下垂控制中引入转子运动方程，使得并网逆变器在机理和外特性上更接近同步发电机，更好地模拟同步发电机的运行特性，这就是所谓的虚拟同步发电机(VSG)控制[9]．

本文通过对下垂控制和VSG控制的基本原理进行分析，从而得出两者之间的相同点和不同点．此外还建立了VSG控制的数学模型，且基于下垂控制的参数设计原理，得出了VSG控制模型的参数设计方法．最后，利用Matlab/Simulink建立了两种控制方法的仿真模型，比较二者的仿真运行特性，而且通过仿真结果分析了各参数对VSG控制的影响，为在VSG控制中引入下垂控制的研究成果提供了理论支持．

1 下垂控制基本原理

下垂控制的原理是各逆变器检测输出功率的大小，根据自身容量，通过频率与电压幅值来调节输出的有功和无功功率．逆变器通过下垂控制得到输出电压频率和幅值的指令值，然后微调其输出电压幅值和频率达到系统有功和无功的合理分配[10]．下垂控制的本质为输出功率的负反馈控制，其主电路拓扑和控制结构如图1所示．

图1 下垂控制主电路拓扑

图2为下垂控制的控制框图，其有功-频率和无功-电压的数学关系式如下：

UN-Uref=-Dq(Qref-Q)

式中，Pref、Qref为有功和无功功率给定值；P、Q为输出的有功和无功功率；Dp、Dq分别为有功频率下垂系数和无功电压下垂系数；ωN表示额定角频率，UN和Uref表示额定电压和给定电压．由上式可知，下垂控制可以模拟同步发电机的静态特性，当系统负荷发生变化时，下垂控制通过改变逆变器电压和频率来调节输出功率，以满足系统变化．由于其控制结构简单和较高的灵活性，在分布式能源并网中应用广泛．

图2 下垂控制框图

2 VSG控制基本原理

VSG控制的本质是在逆变器的控制上引入同步发电机转子运动方程和定子电气方程，使逆变器获得类似同步发电机的惯性、阻尼、频率和电压调整等特性[11]，其主电路拓扑和控制结构如图3所示．

图3 VSG控制主电路拓扑

2.1 有功-频率控制

同步发电机由于转子惯性的存在，可以防止系统频率产生突变，因此将其转子运动方程引入逆变器的控制算法中便得到了VSG的有功-频率控制方程[12]．假设极对数为1，则机械角速度和电角速度相等，VSG的有功-频率控制方程可表示为：

式中，ωN和ω分别为额定角频率和实际转子角频率；Pm和Pe分别为VSG的机械功率和电磁功率(即逆变器输出功率P)；J为转动惯量；D为阻尼系数；δ为功角．

为了简化分析，一般假设机械功率Pm等于有功功率给定值Pref，由式(3)可得式(4)、(5)．

式中，τ和mp分别为一阶惯性时间常数和有功-频率下垂系数．

对比式(1)和式(4)，可见VSG的有功-频率控制本质上也属于下垂控制，只不过较下垂控制的有功-频率控制其增加了一个一阶惯性环节，使得VSG控制不仅具备与下垂控制同样的静态性能，而且拥有更好的动态性能．

由上述分析可知，在逆变器控制算法中引入式(3)可模拟同步发电机的转子运动方程，为系统提供惯性和阻尼支撑；式(4)和式(5)使VSG有功-频率控制具备一次调频特性，且能实现多微源间的有功功率按容量分配．

2.2 无功-电压控制

VSG的无功-电压控制主要基于无功功率与电压的下垂关系[13]，从而得到给定输出电压Uref，使得逆变器具备一次调压特性，其表达式为：

文章来源：《中国惯性技术学报》 网址: http://www.zggxjsxbzz.cn/qikandaodu/2020/1111/397.html