孤岛下虚拟同步发电机并联功率分配控制策略_季宇.pdf

孤岛下虚拟同步发电机并联功率分配控制策略.孤岛下虚拟同步发电机并联功率分配控制策略季 宇，苏 剑，丁保迪，孙树敏，王 超，郑雪梅（.中国电力科学研究院有限公司，北京；.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南；.哈尔滨工业大学，哈尔滨）摘 要 微网系统中，如多台并网逆变器采用虚拟同步发电机（，）并联时，线路阻抗的差异将会导致无功功率无法正确按比例分配，甚至产生无功环流。虚拟阻抗法是目前公认最简单有效的功率分配策略，但其加入会导致电压控制精度的下降。基于此问题，本文对孤岛模式下的微电网系统提出采用 定子方程虚拟阻抗的无功功率均分策略，并结合自适应虚拟感抗与虚拟容抗相结合的控制方案，在保证有功、无功功率均分精度的同时，减小电压的跌落程度，并与常规的虚拟阻抗方法进行了对比分析。最后，利用 进行仿真分析，结果表明所提控制策略对于功率均分精度和电压控制精度具有很好的控制效果。关键词 虚拟同步机；功率分配；自适应虚拟阻抗；虚拟电容中图分类号 文献标志码 文章编号（），（，；，；，）：（），：；基金项目：国家自然基金（）；山东省重点研发计划（）前言随着新能源（如光伏、风电、储能）的越来越普及应用，分布式发电（，）逐渐成为了目前新能源的主要形式，其组成的微电网拓扑结构也灵活多变。与传统的火电相比，新能源组成的微网发电具有清洁、可靠性高、能源利用率高等优点，也成为目前的研究热点之一。通常微电网中，由逆变器实现能量转换，配合其控制装置共同实现微网的控制，而组成逆变器的电力电子器件，具有.大 电 机 技 术响应速度快，控制策略灵活的特点。但 系统需要像传统电力系统一样具有同步电机的特性维持电力系统的惯性及阻尼的优点。而电力电子器件在 系统容易受到各方面干扰的影响，使得微网系统的稳定性受到影响。近年来，为了使微电网系统也具有惯性和阻尼的特点，学者们发现虚拟同步机（，）控制可以模拟传统电力系统的惯性及阻尼的优点。同时可实现调频调压、功率分配等多种功能，极大地提升了系统的稳定性。目前的微网系统一般多采用多台并联的方式进行连接，但如果每台 之间连线阻抗及等效输出阻抗值不同，则无功功率存在着环流且无功功率均分困难等问题，使得系统稳定性降低，对电力电子器件产生破坏。针对这个问题，文献采用参数匹配和虚拟阻抗法，人为制造较大的虚拟阻抗，近似地做到了阻抗匹配，可以实现环流的近似抑制和功率的近似均分，但是均分精度无法达到很高的要求；文献为了减小无功误差，在无功控制器中加入积分环节，但未对系统的稳定性进行探讨；文献则通过虚拟阻抗的方案提高阻感比，使系统具有完成均分无功的能力，但并未讨论虚拟阻抗的加入对电压跌落的影响；文献在文献的基础上加入自适应控制策略，使得虚拟阻抗的阻值具有随着负载的变化而变化的自适应能力，无 功 分 配 效 果 良 好；文 献 和 文献为了在充分保证均分的基础上再实现电压控制的精度，采用了虚拟电容的控制方法，在 的输出端模拟并联电容的特性，从而提升了电压控制的精度，但是并未对虚拟电容的设计进行详细的说明。针对上述问题，本文对孤岛模式下的逆变器采用 控制，并对基于 定子方程虚拟阻抗的无功功率均分策略进行研究。当线路阻抗出现差异的情况下，为抑制环流并对系统无功功率均分，采用在 定子方程中加入自适应虚拟阻抗的控制方案，以达到减小无功环流和状态切换时冲击的目的。在此基础上，为了提高电压的控制精度，采用虚拟电容结合自适应虚拟阻抗的控制方案，使系统在实现无功功率均分的同时，保证了电压的控制精度。利 仿真软件进行仿真分析，并与常规的虚拟阻抗方法进行对比，结果表明文章所提出的控制策略对于功率均分精度和电压控制精度具有很好的控制效果。虚拟同步发电机控制策略设计以两台 系统为例，每台 以并联的形式进行连接，分别采用 结合自适应虚拟电阻、虚拟电容控制。整个微网系统的整体控制结构如图 所示。图 系统整体拓扑结构及控制器结构框图首先，进行 的设计。的控制一般由转子运动方程、同步发电机的定子方程、调速器方程和励磁调节器方程组成，分别表示如下：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中，、分别为虚拟同步发电机的机械、电磁功率；为其电气角速度；为电网同步角速度；为阻尼系数；为转动惯量；为电角度；为励磁电动势；为定子端电压；为电枢电流；为虚拟电阻；为虚拟感抗；为参考频率；为调速器的频率调节系数；为参考有功功率；为无功功率的参考值；为逆变器输出的无功功率；为逆变器输出电压的参考值；为电压调节系数。根据上述方程得到 的整体控制框图如图 所示。孤岛下虚拟同步发电机并联功率分配控制策略.图 控制框图 双机并联 运行特性分析在微网中，对 多机并联进行参数设计时，绘制两台 并联简化分析模型如图 所示。图 并联结构图和 分别为两台 输出电压；为电网电压幅值；设电网电压的相位为，和 分别为 和 与电网电压的相角差；和 分别为两台 的等效输出阻抗；为负载阻抗；为其阻抗角。当逆变器处于稳定运行状态下时，逆变器输出的有功功率 和无功功率（，）可简化表示为：（）（）（）（）若线路阻抗呈阻感性，即，则可进一步简化为：（）（）（）由式（）、（）可见，有功功率和无功功率分别与及 呈比例关系，可分别调节输出电压的频率及改变 来实现对 和 的调节，进而实现对功率的均分。微网系统中，各个 单元与负载之间的距离、线路电压等级以及周围环境等均可能不同，这使得各 单元的线路阻抗存在差异。如果式（）、（）中的不能被忽略时，此项 存在，影响无功功率的控制精度。为了保证 接近，可采用虚拟阻抗的控制策略实现无功的精确均分。基于自适应虚拟阻抗、容抗的无功均分控制为了提高阻抗比，实现功率的均分，给出适合的阻抗大小，本文提出了添加自适应虚拟阻抗与虚拟容抗相结合的控制方案。采用虚拟电阻和虚拟电容后，整个系统的控制结构如图 所示。虚框中为所采用的虚拟阻抗和虚拟容抗。图 中，（，）为 的电压源内感抗成分，（，）为虚拟电容上承担的压降，（，）为虚拟电容，（，）为线路阻抗中的感性成分，为公共点电压。图 自适应虚拟阻抗、虚拟容抗的控制结构虚拟阻抗采用如下的自适应算法：（）（）式中，为定子方程中虚拟感抗的给定值，为无功功率给定值，为无功功率实际值，为虚拟感抗的实际值，为调节系数。定子方程中的虚拟电感 由自适应虚拟阻抗算法进行控制。为了解决电压跌落的问题，本文在自适应虚拟阻抗算法的基础上，加入虚拟电容，能够在减小均分误差的同时减小 输出电压跌落程度。根据图 和定子方程表达式（），可得到并联电容后的定子方程为：（）（）式中，（，）为并联电容前的输出电压，（，）为并联电容后的输出电压，（，）为各路输出电流，令 ，若、较小可忽略。则 。可见，在电压 的基础上加入 项，就可以模拟 输出端实际并联的效果。再考虑 励磁调节方程（）可以得到：（）.大 电 机 技 术为加入虚拟电容后的指令电压，大小为 。根据励磁器调节方程式（），可得到各台 并联电容前的闭环无功功率输出（，）表达式为：（）（）式中，为设计的 系数；（，）为图中的线路阻抗中的感性成分；为图 公共点电压。可以看出虚拟电容能够补偿一部分线路压降从而提高无功功率控制精度。采用虚拟电阻和虚拟电容后整个系统的控制如图 所示。图 仿真模型结构示意图 仿真分析为验证上述控制方法，在 软件中搭建仿真模型，由两个 单元，对应着两个控制回路单元，连接的公共负载单元，如图 所示。仿真参数如下：母线电压 ，交流母线电压，滤波电感 .，滤波电容 ，转动 惯 量 .，阻 尼 系 数 ，.。分别对自适应虚拟阻抗的加入、自适应虚拟容抗的加入、电网电压跌落的故障等 种典型的工况进行了仿真验证。工况：自适应虚拟阻抗的验证。仿真条件如下，在 .之前，和 各自带、的本地负载，两台 的线路阻抗不同，分别为.和.。在 .时加入、的公共负载并于.时将公共负载切除，设计的虚拟阻抗值参数选为 .，.，。采用固定虚拟阻抗和采用自适应虚拟阻抗的仿真结果分别如图 和图 所示。分别对两台 的无功分配、输出电压、无功环流和虚拟阻抗值进行了仿真对比研究。图 为 和 的虚拟阻抗的辨识情况。孤岛下虚拟同步发电机并联功率分配控制策略.图 固定输出虚拟阻抗下的仿真图 自适应虚拟阻抗下的仿真结果图 与 的虚拟阻抗辨识结果 从仿真结果图 和图 可以看出，自适应虚拟阻抗与固定虚拟阻抗控制方法通过向线路中加入虚拟电感降低阻感比，均能较好地实现无功的均分、保证输出电压和电流的稳定性，并且由于 有功控制中存在积分环节，虚拟阻抗的引入并不会导致有功功率的分配受不良影响（如图（）和图（）所示）。但是在负载突变的情形下，采用固定虚拟阻抗控制的情况下，固定虚拟阻抗的突然引入会引起较大的冲击，而自适应虚拟阻抗的控制能更好地抑制环流，使得冲击电流减小，可见于图（）与图（）的虚线圆圈标注处。采用自适应虚拟阻抗控制时（如图（）所示）无功均分误差为，而采用固定虚拟阻抗控制（如图（）所示）的无功均分误差为，说明自适应虚拟阻抗实现负载扰动下的无功功率均分效果更好。采用自适应虚拟阻抗控制时（如图（）所示）的无功环流比固定虚拟阻抗控制（如图（）所示）的无功环流得到了较好的抑制。但是，虚拟阻抗的加入具有分.大 电 机 技 术压效果，使得 的输出电压发生跌落（如图（）和图（）所示），可以稳定在，电压控制精度下降。可见，无论是固定虚拟阻抗还是自适应虚拟阻抗，均无法解决 输出电压跌落的问题。工况：自适应虚拟阻抗与虚拟电容的结合验证。从图（）的仿真结果来看，单纯的自适应虚拟阻抗控制并不能使其电压跌落情况有较大的改善，所以在自适应虚拟阻抗算法的基础上加入虚拟电容。取虚拟电容值.，仿真条件与上述条件相同，仿真结果如图 所示。图 自适应虚拟阻抗与虚拟容抗结合控制从仿真结果可以看到，在自适应虚拟电阻基础上加入虚拟电容后，系统状态切换时产生的冲击明显减小，甚至可以消除冲击，可见于图（）的虚线圆圈放大处，无功均分误差为，大于仅加入自适应虚拟阻抗的误差，但是由于并联的虚拟电容能够补偿一部分线路压降，使得电压控制精度得到了提高，约为。微网系统整体性能得到了提升。工况：电网电压跌落下的自适应虚拟阻抗与虚拟电容结合的验证。图 不同控制策略下的状态切换比较图（）为采用传统虚拟阻抗的仿真波形，在.切换后电压由 跌到了，输出电压跌落孤岛下虚拟同步发电机并联功率分配控制策略.严重，无疑会对系统的稳定性造成影响，而采用自适应虚拟阻抗的系统在状态切换时如图（）所示，电压有轻微的跌落现象，由 降到了，跌落现象有所改善，电压过渡波形也变得平滑了许多，但并未达到理想要求。而采用虚拟容抗结合虚拟阻抗算法的系统在状态切换时如图（）所示，可以看出电压有一个短暂的上升，一个周期之后便恢复至原来的电压，响应速度极快，提高了系统的动态性能。与另外两种控制方法相比，电压跌落现象完全消除，大大提高了电压控制精度。相较于电压波形而言，三种不同控制策略下的电流过渡波形就非常平滑，几乎没有任何延迟和跌落，说明本策略的有效性。结论在微网中即使相同容量的 并联，系统中由于线路阻抗等差异和故障会造成无功功率分配的差异，这会引起系统产生无功环流，对系统稳定性造成影响。利用虚拟阻抗算法可以增加功率均分精度，但会使 输出电压跌落。本文针对虚拟阻抗算法中无功均分精度与电压控制精度之间的矛盾，采用了自适应虚拟感抗结合虚拟容抗的控制算法，解决了上述问题。由仿真结果可以看出，由于自适应虚拟感抗，系统状态切换时产生的冲击明显减小，甚至可以消除冲击，且能够提高无功功率均分效果，提高电压控制精度。仿真结果证明了本文所提出算法的有效性和优越性。参 考 文 献鲁宗相，王彩霞，闵勇，等 微电网研究综述 电力系统自动化，（）：马成松，赵耀 基于双机并联虚拟同步机系统的自适应控制策略研究 电测与仪表，（）：王文静，王斯成 我国分布式光伏发电的现状与展望 中国科学院院刊，（）：龚仁喜，顾佳宇 负荷虚拟同步机惯性与阻尼自适应控制策略 电测与仪表：郑天文，陈来军，陈天一，等 虚拟同步发电机技术及展望 电力系统自动化，（）：吕志鹏，盛万兴，刘海涛，等 虚拟同步机技术在电力系统中的应用与挑战 中国电机工程学