基于虚拟同步发电机思想的微电网逆变电源控制策略

基于虚拟同步发电机思想的微电网逆变电源控制策略

丁󰀁明,杨向真,苏建徽

(合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心,安徽省合肥市230009)

摘要:提出了一种基于同步发电机机电暂态模型的新型微电网逆变电源(称为虚拟同步发电机)。功率控制器和电压频率控制器使该逆变电源具有功率控制和调频调压双重功能,而且在微电网发生故障时仍能作为不间断电源向重要负荷供电,预并列单元则使得该逆变电源能够可靠并联到微电网上;当微电网连接大电网运行时,系统频率由大电网决定,各虚拟同步发电机可采用功率控制策略使其按照功率调度指令输出功率。当微电网孤岛运行时,必须有逆变单元采用电压频率控制策略,提供微电网的电压参考;微电网中,同等容量的逆变电源还可以任意替换,易于模块化、标准化生产,增加了微电网控制的灵活性,提高了系统的可靠性。所提出的控制策略已在MATLAB/Simulink上得到验证。

关键词:微电网;虚拟同步发电机;调频调压;功率控制;预并列单元中图分类号:TM614;TM712;TM727.2

0󰀁引言

微电网是由负荷和多个微源组成的集合系统,具有联网和孤岛2种工作模式,是分布式发电领域非常活跃的分支。目前,由微电网控制器和单元控制器组成的集中控制型微电网的研究较多[1󰀁4],该结构与传统电力系统类似,但微电网是以逆变电源为主的小型电网,其中,具有储能单元的逆变电源起着维持系统电压稳定、频率稳定和功率平衡的重要作用,其控制策略的研究是微电网的关键技术之[5]

一,也是本文研究的主要内容。

微电网孤岛运行时,需要下面2种功能的逆变电源:󰀂作为可调度单元,只根据功率调度指令输出功率; 作为调频调压单元,提供发电单元与负荷之间的瞬时功率偏差,维持微电网频率和电压的稳[5󰀁7]

定;微电网连接大电网运行时,系统频率由大电网决定。微电网逆变电源只需要按照指定功率运行[8]。文献[4]指出在逆变电源直流侧加装储能装置,可以将前级能源为风能、太阳能等不可调度的分布式发电单元转化为可调度单元。本文主要研究配置有储能装置的逆变电源控制策略,如果这些逆变电源都具有功率控制和调频调压双重功能,且可以根据运行模式或其他条件切换控制策略,改变它在微电网中的角色,将会大大增加微电网控制的灵活

性。当微电网故障时,如果该逆变电源能够继续不间断地向重要负荷供电,将会进一步提高微电网供电可靠性。这种设计也有利于逆变电源模块化和标准化生产,有重要的现实意义。目前国内外相关文献还较少[8󰀁9]。

本文基于上述思想提出了一种新型微电网逆变电源,由该逆变电源组成的微电网既能连接大电网运行,又能实现孤岛运行时频率的无差控制。

1󰀁虚拟同步发电机的基本结构

大型电力系统中,为了维持系统频率稳定和功率平衡,同步发电机组按照功能可以分为非调频机组和调频机组。非调频机组正常运行时按预先给定的负荷曲线发电,并配备调速器参与动态频率调节;调频机组主要利用同步器进行系统频率调整[10]。如果能够将具有储能装置的微电网逆变电源的数学模型等效为同步发电机模型,再借鉴调速器和同步器的工作原理设计逆变电源的控制器,电力系统中相关控制策略、理论分析方法就可以方便地引入由该新型逆变电源组成的微电网中。据此,本文提出了图1所示的新型微电网逆变电源(称为虚拟同步发电机(VSG)),其主电路为三相全桥逆变电路,Lfi和Cfi(i=a,b,c)分别为滤波电感和电容,Li用来实现功率传输,rLi是滤波电感、开关器件、线路等元件的等效电阻之和,并假设直流侧为电压恒定的储能装置,且允许能量双向流动。VSG算法模块采用同步发电机的机电暂态数学模型,有效模拟同步发电机的转子机械特性和定子电气特性;功率控制器(简

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!收稿日期:2008󰀁12󰀁02;修回日期:2009󰀁01󰀁20。

国家自然科学基金资助项目(50777015,50837001);国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2007AA05Z240)。

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称PQ控制器)和电压频率控制器(简称Vf控制器)分别实现按功率调度指令发电和调频调压2种功能,预同步单元则确保VSG满足并网条件后闭合

接触器KM,模式选择信号用来选择是PQ控制模块、Vf控制模块还是预同步控制模块有效。

图1󰀁VSG的原理示意图

Fig.1󰀁Theorydiagramofvirtualsynchronousgenerator

󰀁󰀁VSG的算法如下式所示[11]:

PmPed󰀁󰀂Tm-Te-D󰀁󰀂=--D󰀁󰀂=J

󰀂󰀂dt

d =󰀂dtE0i=Ui+Ii(ra+jxt)

(1)

式中:Tm和Te分别为机械转矩和电磁转矩;Pm和Pe分别为机械功率和电磁功率;D为定常阻尼系数;󰀁󰀂为电角速度差,󰀁󰀂=󰀂-󰀂b,󰀂b和󰀂分别为额定电角速度和实际电角速度,令极对数为1,则机械角速度󰀂m=󰀂; 为电角度;E0i,Ui,Ii分别为i相感应电动势、定子端电压和定子电流;ra和xt分别为定子电枢电阻和同步电抗。

式(1)算法中的机械转矩、转动惯量、定子电枢电阻、同步电抗、电角速度以及感应电动势等参数与同步发电机相应参数的物理意义相同,并根据系统功率的大小,选择功率相匹配的实际同步电机设计参数作为该算法的参数,利用单片机、DSP等数字装置可以很容易实现,而且设置更加灵活。为了方便起见,本文仍然沿用以前的参数名称。

图1中,将电感电流经过低通滤波器后反馈到VSG算法模块中,使ii=iLi,并将由定子电压方程得到的ui作为逆变电源的调制波,根据面积等效原则[12],逆变桥输出电压ujO(j=A,B,C)中的基波电压等于调制波ui,因此,图1虚线框内的模型可以等效成电枢电阻为ra、同步电抗为xt的机电暂态同步发电机模型。由于滤波器主要用于滤除高次谐波分!

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量,并不改变基波分量的特性,所以机电暂态模型所反映的转子动态特性与同步发电机相同,完全可以用同步发电机的物理模型进行分析。

2󰀁控制器设计

本文将VSG设计为具有功率控制和调频调压双重功能的可控电压源,以便在微电网发生故障时,仍能作为不间断电源向重要负荷供电。所设计的控制器如图2所示。

图2󰀁PQ控制和Vf控制框图

Fig.2󰀁PQcontrolandVfcontrolscheme

2.1󰀁Vf控制

Vf控制的VSG主要负责调节微电网孤岛运行时系统的频率,维持节点电压的稳定,输出的有功功率和无功功率则由负荷决定,其接入点的节点特性为Vf节点。

1)频率控制

图2中第1个子控制器中,闭合开关Bp1,利用

**

PI调节器可以实现频率的无差控制。PLTH和PLTL分别为VSG允许输出的最大功率和允许吸收的最

*

大功率;Pref为机械输入功率的前馈值,应根据需要

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灵活设置;Pm为VSG算法模块中的机械输入功率。当输入功率P=P,而频率仍然小于给定频率时,限幅器LTP将输入功率的大小,使逆变电源运行在最大功率点,此时微电网必须依靠其他发电单元或者切除部分负荷来维持频率在允许范

**

围内;当Pm=PLTL,而频率仍大于给定频率时,情况与上述类似。

2)电压控制

励磁控制系统通过调节励磁电流,改变感应电动势的大小,维持机端电压在允许范围内。本文借鉴同步发电机励磁控制系统的基本原理设计了VSG电压控制器,如图2中第2个子控制器所示。**

Uref和U分别为端电压给定值和实际值;Ifgiv为空载励磁电流,其物理意义是建立空载感应电动势,确保VSG正常开机。闭合开关Bp2,电压偏差󰀁U输入

*

到PI调节器后调节励磁电流If,改变感应电动势的大小,实现端电压的无差控制。本控制器中励磁电流和感应电动势的调节范围更宽,调节速度更快,有利于系统的稳定。

在微电网中,Vf控制的VSG负责整个系统频率的调整,该逆变电源必须拥有足够的调整容量及调整范围,且具有与负荷变化相适应的调整速度,需要根据微电网容量、经济性、发电单元调节速度等条件合理选择。2.2󰀁PQ控制

PQ控制策略使VSG输出的有功功率和无功功率可控,在微电网中,该逆变电源接入点的节点特性是PQ节点。

1)有功功率控制

首先利用物理模型阐述VSG连接微电网时功率交换的原理。假定微电网三相电压的合成空间矢量以同步电角速度󰀂b旋转,VSG接入微电网后,其定子三相电压的合成空间矢量也以角速度󰀂b旋转,若机械转矩与电磁转矩不平衡,转子角速度󰀂的增大或者减小将改变感应电动势与定子电压之间的功角,从而改变输出电磁功率的大小,直到转子最终以󰀂b旋转,输入机械功率与输出电磁功率平衡。

电力系统中,由于调频机组涉及到发电机组的燃烧系统和上层自动发电控制系统,调节速度较慢,为了适应波动周期短、变化幅度小的负荷,所有非调频机组均加装了调节速度较快的调速器,以缓解系统频率的变化[13]。微电网中,如果调频单元响应速度较慢或者微电网采用类似电力系统自动发电控制方式时,为了适应波动周期短、变化幅度小的负荷,本文也在VSG中加装了频率有差调节器,断开图2中的开关Bp1,比例系数Kp实质上增大了系统的等

*m

*LTH

*

效阻尼系数,缩短了暂态时间,有利于抑制系统频率的振荡(见附录A),从而不仅使PQ控制的发电单元参与频率动态调节,缓解了负荷波动尤其是异常负荷突变时频率的变化,而且稳态时󰀁f为0,VSG

*

仍然按照功率调度指令Pref输出有功功率。

2)无功功率控制

若断开开关Bp2,则与同步发电机无功调节特性相似[14](见附录B),VSG的端电压与无功电流近似成线性关系,且随无功负荷的增大而减小,如图3中直线2所示。假设2台VSG(inv1和inv2)在公共母线上运行:inv1为无差调节特性,如图3中直线1所示,输出电压始终维持恒定为U1;inv2为有差调节特性,如图3中直线2所示,此时母线电压必定为U1并保持不变,inv2输出的无功电流为IQ2。如果改变负荷无功功率,inv1输出的无功电流将发生变化,而inv2的无功电流仍为IQ2。若将inv2的输出特性改为直线3,其输出的无功电流为IQ1,负荷无功功率将在2台VSG之间重新分配。因此,当1台无差调节特性的VSG和多台有差调节特性的VSG并联运行时,移动有差调节特性可以改变无功功率在各台发电机之间的分配。

图3󰀁VSG调节特性和无功功率分配

Fig.3󰀁Regulationcharacteristicandreactivepower

distributionofVSG

平移调节特性曲线还可以使VSG平滑地接入和退出微电网,如图3所示。当VSG接入系统时,令它的调节特性曲线为直线4,待并入系统后,逐步改变调节特性使其输出一定的无功电流;当VSG退出系统时,可以将调节特性从直线2变为直线3,最后变为直线4,平稳转移负荷。

总之,通过控制开关Bp1和Bp2就可以实现PQ控制和Vf控制的自由切换,控制非常灵活。微电网连接大电网运行时,由于电力系统中只能有1个平衡节点,VSG采取PQ控制策略;而微电网孤岛运行时,必须有逆变单元采取Vf控制策略,以便提供系统的电压参考。

3󰀁预并列单元的设计

预并列单元使VSG满足并列条件后进行合闸操作,不过合闸后拉入同步过程中VSG有可能吸收电网功率而工作在电动机状态,因此,VSG必须允

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91!2009,33(8)󰀁

许能量双向流动才能满足并网需要。本文设计的VSG预并列单元主要包括频差控制单元、压差控制单元和合闸信号控制单元。压差控制单元可采用上

*

述电压无差闭环控制器,只是端电压给定值Uref是微电网电压有效值。频差控制单元采用锁相环(PLL)技术,如图4所示,将VSG的i相输出电压uoi和i相电网电压uneti的相位差送入PI调节器,用来控制输入功率Pm,通过VSG算法使输出电压的相位跟踪电网电压的相位。合闸信号控制单元用来判断相差、频差、电压差是否满足给定条件,当3个条件都满足时,发出合闸信号。

*

6)5.6s时,母线3突然故障,K2和K3均跳闸,inv1和inv2分别带负载,inv2检测到故障后切换为Vf控制策略,逆变器输出有功功率和无功功率突然发生变化,引起频率和电压波动,功率变化越大,波动将会越大,因此,当允许VSG作为不间断电源向负荷供电时,应根据负荷要求合理控制VSG联网时的运行状态,避免切换为不间断电源运行模式时产生较大的频率波动和电压波动而损坏发电设备和负荷。

图5为按照上述仿真步骤得到的仿真结果。

图4󰀁PLL频差控制单元

Fig.4󰀁PLLfrequencydeviationcontrolcell

4󰀁VSG的仿真分析

本文利用MATLAB/Simulink仿真软件搭建了如附录C图C1所示的仿真电路。MCC为微电网控制器,向inv1和inv2发送模式选择信号和功率调度指令,并向负荷开关和母线开关发送合闸命令。

仿真步骤为:

1)初始阶段,除K5和K7外,其他开关全部闭合,电网单独向所有负荷供电。

2)0.1s时,inv1和inv2各自的预同步单元工作,满足同步条件后,分别闭合K5和K7,由于逆变器输出电压与电网电压之间存在频差、相位差和电压差,闭合时,逆变器与电网之间存在一定的功率交换。联网后,inv1和inv2均采用PQ控制策略,经过短暂的动态过程,2台逆变器均被电网拉入同步。

3)分段改变inv1和inv2的调度功率指令,逐步增加逆变器的输出功率。

4)2.6s后,K1断开,inv1迅速切换为Vf控制策略,提供电压参考,大电网退出时产生较大的不平衡功率,系统频率迅速减小,且inv1和inv2输出电流突然增大,必须尽快切除负荷3以避免频率继续减小以及inv1出现过电流现象,inv1和inv2组成的微电网运行在孤岛状态。

5)由2台逆变电源组成的微电网容量较小,为了避免产生较大的波动,采用分段恢复部分负荷的方法,并不断改变inv2的调度功率和参考电压,但功率调度指令与实际接入负荷并不匹配,inv1输出功率逐步下降,inv2向负荷2供电的同时,也向负荷1提供一部分有功功率。!

92!

图5󰀁仿真结果

Fig.5󰀁Resultofsimulation

5󰀁结语

本文所提出的VSG具有功率控制和调频调压双重功能,可以根据系统需要,灵活改变在微电网中的角色。无论是PQ控制还是Vf控制,VSG都是不依赖于微电网的可控电压源,只要设计合理,微电网故障时,可以继续向重要负荷提供不间断电源,故障恢复后,也可以通过预同步单元的控制重新并网。

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与同步发电机相比,VSG的许多参数(如同步电抗、阻尼系统、转动惯量等)不受制造工艺的,设计更加灵活,调节更加迅速,合理设置后可以更好地改善系统性能。由于电力电子器件抗过电压、过电流能力较差,还需进一步研究主电路参数和控制器参数的优化设计问题,提高微电网在正常运行、负荷波动、VSG并列以及故障时系统的性能。附录见本刊网络版(http://www.aeps󰀁info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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丁󰀁明(1956!),男,教授,博士生导师,主要研究方向:

电力系统规划及可靠性、新能源及其利用、柔性输电系统的仿真与控制。E󰀁mail:mingding56@126.com

杨向真(1982!),女,通信作者,博士研究生,主要研究方向:分布式发电技术。E󰀁mail:greenleaf_yxz@hotmail.com

苏建徽(1963!),男,教授,博士生导师,主要研究方向:光伏发电技术、分布式发电技术。E󰀁mail:su_chen@126.com

ControlStrategiesofInvertersBasedonVirtualSynchronousGeneratorinaMicrogrid

DINGMing,YANGXiangzhen,SUJianhui

(ResearchCenterforPhotovoltaicSystemEngineeringMinistryofEducation,

HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

Abstract:Anewinverterbasedontheelectromechanicaltransientmodelofsynchronousgenerator(whichisreferredtoasvirtualsynchronousgenerator)ispresented.Apowercontrollerandavoltage󰀁frequencycontrolleraredesignedtomaketheinverterwithdoublefunctionofcontrollingpowerandmodulatingfrequencyandvoltage.Furthermore,whenmicrogridisfaulty,uninterruptableelectricalpowercanstillbesuppliedtoimportantloadsofthemicrogrid.Apre󰀁gridunitdesignedenablessafeconnectionoftheinverterandamicrogrid.Whenthemicrogridconnectingwiththemaingrid,frequencyisdecidedbythemaingrid,sopowercontrolstrategyisemployedineachvirtualsynchronousgeneratortocontrolitsdispatchableoutputpower.Whenthemicrogridisislanding,voltagereferenceshouldbeprovidedbyoneinverterusingvoltage󰀁frequencycontroller.Inaddition,itisconvenienttobemodularizedandstandardizedbecausevirtualsynchronousgeneratorwiththesamecapacitycanbereplacedfreelyinthemicrogrid.Thisschemewillincreasetheflexibilityofmicrogridandenhancethereliabilityofsystemcontrolstrategy,whichhasbeenverifiedbytheMATLAB/Simulink.

ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50777015,50837001)andtheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentProgramofChina(863Program)(No.2007AA05Z240).

Keywords:microgrid;virtualsynchronousgenerator;frequencyandvoltageregulation;powercontrol;pre󰀁gridunit

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