第52卷第2期2015年1月25日Electrical电测与仪表Measurement&lnstrumenta廿onv01.52No.2Jan.25。201s基于虚拟同步发电机的逆变电源控制策略研究徐湘楚,朱凌,郭本峰(华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室,河北保定071003)摘要:针对采用常规下垂控制方法的逆变电源存在稳定时电压和频率的偏移,不能完全满足电网运行要求的题,采用了一种新的逆变电源控制方法即虚拟同步发电机(VSG)控制策略。建立了虚拟同步发电机的模型,考同步发电机控制理论,重点设计了功频控制器和励磁控制器,搭建了以大容量汽轮发电机模拟电网的逆变问参器并网发电系统。通过Mat】ab/Simulj・,k仿真验证了虚拟同步发电机中转动惯量的作用和虚拟同步发电机的并网调节特性,仿真结果表明,基于虚拟同步发电机的逆变电源在外特性上近似等效为一个同步发电机,具有良好的调频调压性能,能很好地适应电网的运行要求。关键词:虚拟同步发电机;转动惯量;功频控制器;励磁控制器;调频调压中图分类号:TM464文献标识码:A文章编号:1001—1390(2015)02一0080m5ResearchonthecontrolstrategiesofinvertersbasedontheVirtualSynchronousgeneratorXuxiangchu,Zhu¨ng,GuoBenfeng(Sz口把嘶如60r口£or);矿A2把,7zo把E如czric02Po伽er¥岱£emⅢi肮尺ene圳06zeE,把,g),SoM池,Ⅳ0r肮劬in口Efec£r恐Po埘er明L西e那奶r,曰口。如皤D刀0∞,胁6ei,C硒m)Abstract:Voltageandfrequencydeviationdroopcontr01method,w11ichcanllotoccurinthesteadystateindleinvertel弓whichadoptstheconventionalcomp】etelymeett11erequirement“Lhegridoperation.1nviewoft11isproblem,anewcontrolstraLegy、ofi11VertellscalledVi】1_ualsynchronousgenerator(VSG)wasadoptedi11thispapel’.Avirtualsyn—excitationchronousgenerator1110delwasestablished,basedonapow6rf}equencycontl‘011erandanan60ntr01】erweredesjgnedthecontr01theoryofthesynchronousgenerator,andainvertergrid—connectedpower—genel’atingsystemwastoconstl’ucted,whichusedlargecapaci£ysteamtul'1)inegenel’atorsjmulatetheg“d.Thefhnct_ionofthel’otationa】in—verj矗edertiaandthegrid—connectedregulatjoncharacte“sticsofthevirtualsynchmnousgeneratorwerethrought11eMatlab/勖mulinksimu】atioll.torT王1esimulationresultsshowedthattheinvenerbasedtoaonthevillualsynchmnousgenera—ex.contI.01strategywasappl’oximatelyequiVa】entsynchl‘onousgeneratorinexterna】characte“stics,whjchhadcel】ent:qualjtiesofmodu】atingf}equencya11dvo】cageandcouldmeettherequirementofthegridopel,ation.Keywords:Vjrtualsynchronousgenerator(VSG),rota“onalinertia,powerfI.equencycontr01ler,exeitationcontroller,nlodula石ngf}equencyandvo】tage0引言出阻抗大等优点,不能完全满足电网稳定运行的要近年来,随着新能源发电技术的广泛应用,分布式电源在电力系统中所占比例不断增加。基于电力求。如果将同步发电机的优良特性引入逆变电源的控制方案中,必将大大提高逆变电源的性能。在分布式并网发电系统中,参考同步发电机控制理论,若将常规逆变电源的控制算法加以改进,使其能够模拟出同步发电机的频率和电压等输出特性,从而使分布式系统的稳定性得到改善,这就是所谓的虚拟电子逆变器的传统分布式电源并网发电控制模式并未反映出电力系统的固有惯性和调频调压控制的特点,这就使得电网的稳定性问题更加严峻¨‘2]。目前逆变电源大多采用下垂控制法:在控制过程当中有一些弊端,不具有同步发电机惯性大和输80一万方数据第52卷第2期电测与仪表V01.52No.22015年1月25日Electrical】Ⅵeasurement&IIlstrumentationJan.25.2015同步发电机控制策略旧J。一该方案兼具同步发电机和逆变器自身的特点,更有利于电网的稳定运行。本文的核心思想就是使逆变电源在外特性上可』t,等=.,掣=丑q一^幺=吉cPt—P。,。3,d臼以模拟同步发电机,搭建了以大容量汽轮发电机模【∞2面拟电网的逆变器并网发电系统,以验证控制策略的式中甜为电角速度;∞N为同步电角速度;q为机械有效性和实用性。功率;P。为电磁功率;9为电角度。1基于虚拟同步发电机的逆变器系统式(3)变形可得:1.1虚拟同步发电机的控制原理.,掣:△M(4)本文将同步发电机的方程被引人到并网逆变器中,整个系统参照同步发电机的控制器理论设计而式中△∞=叫一∞N,△M=彻T—M。。成。主电路采用三相电压型逆变器,Li为滤波电感,根据式(1)、(3)建立虚拟同步发电机的控制算Ci为滤波电容,h为虚拟同步发电机与大电网的连法模型如图2所示,虚线框内为由转矩式(3)计算出系统角速度∞,进而得到电角度p,将由式(1)得到虚接电感”1,虚拟同步发电机控制系统采集并网点的拟同步发电机端电压与实际端电压值进行比较,经电压和电流,经过控制部分得到虚拟同步发电机的PI控制器输出到sPWM调制生成相应的逆变桥脉冲机械功率指令值P,和励磁电压指令值晶,再将通过信号,完成整个系统的闭环控制。控制算法模型得到的并网电压指令值u8作为逆变器的SPWM调制波,逆变电压经LC滤波电路滤波后,得到的并网电压U如具有同步发电机的端电压特性。虚拟同步发电机原理如图1所示。图2虚拟同步发电机控制算法模型Fig.2ModeloftheVSGcontr01algorithm1.3逆变电源并网能够与电网同步是逆变电源并网的最重要也是图1虚拟同步发电机原理图最基本的要求。并网逆变电源可以分为电流控制型Fig.1SchematicdiagramoftheVSG和电压控制型两大类,其中后者更适用于分布式电】.2虚拟同步发电机建模源渗透率高的并网发电系统,其典型控制结构如图3为了实现同步发电机的基本特性,并简化模型,所示,同步单元需要提供电网电压的频率、幅值以及采用同步发电机的二阶机电暂态模型”o有:相位角作为功率控制器的参考值∞J。Eo‘=U+馏。+j脶。(1)基于虚拟同步发电机的逆变电源控制策略中引’,挈:慨一M。(2)人了频率反馈环节,使得逆变电源能够跟踪电网频率,同时采用并网电压闭环控制以保证并网电压的式中B为励磁电动势;U为电枢端电压;,为电枢电流;尺。为电枢电阻;x。为同步电抗;,为转动惯量;力为机械角速度;M,为机械转矩;M。为电磁转矩。选取同步旋转轴为参考轴,根据电角速度和机械角速度的关系∞=Pn,取极对数p=1,由式(2)可图3电压型逆变器并网的典型控制结构以得到转子运动方程:Fig.3Typica】controlstIucturesforavoltagetypegrid—eonnectedinvener~81—万方数据第52卷第2期2015年1月25日电测与仪表Elecn{cal】Ⅵeasurem吼t&InstrumentationV01.52No.2Jan.25.2015稳定,可以无偏差地实现频率和的电压稳定。2虚拟同步发电机控制器2.1功频控制器在电力系统中,原动机提供的机械功率(不计损耗)与系统负荷消耗的电磁功率始终相等,负荷功率的波动会导致功率的供求不平衡,从而引起频率发生偏移。此时,发电机通过改变原动机的进汽(水)量,相应调整发电机的输出,进而重新建立功率的平衡关系,此过程即为电力系统一次调频"J。参考同步发电机调速器原理,虚拟同步发电机功频控制器设计如图4所示。图4功频控制器Fig.4Power“quencyqodtroller式中厂为系统实际频率;^为系统额定频率;P。为虚拟同步发电机在额定频率下的初始输出有功功率,PT为虚拟同步发电机实际输出功率。定义发电机的频率调差系数R为:尺一黠一筹(5)其标幺值可表示为:尺4一糕=哮㈤频率调差系数可以定量表示同步发电系统负载突变时相应的频率变化,决定了机组之间的有功功率分配睇]。以并联的两台发电机组共同向负荷供电为例,若当负荷变化为△P时,设两台发电机组承担功率波动分别为△P,和△P:,此时频率变化量△^=嵌,由式(5)可得:△P1R2(7)△P2尺】由上式可知,波动的有功功率分配与机组间的频率调差系数的大小成反比。2.2励磁控制器无功功率不平衡会导致系统电压的波动,在无穷大电网中,为实现系统电压的稳定,通过改变发电机励磁电流的大小来调节发电机无功功率的输出值,从而维持系统无功功率平衡一j。但是无穷大系统在实际中并不存在,电网电压将随负荷的波动而变化。一82一万方数据参考发电机的电压调节特性,虚拟同步发电机励磁控制器设计如图5所示。图5励磁控制器Fig.5Excitationcontroller图中,Q。,为虚拟同步发电机在额定频率下的初始无功功率,当系统实际无功功率Q波动时,会偏离无功功率初始值Q。,为实现对并网电压的闭环控制,将得到并网电压的幅值指令值U耐与反馈的实际并网电压幅值巩相比较,经过PI控制器得到的瓯作为虚拟同步发电机控制算法模型中励磁电动势的幅值。定义电压调差系数盯为:盯一措一嚣盯一丽一面㈤¨J其标幺值可表示为:盯+=一褫=盯甓.盯2一丽2盯瓦㈩p’电压调差系数可以定量表示同步发电系统负载突变时相应的电压变化,决定了机组之间的无功功率分配。以并联的两台发电机组同时向负荷供电为例,当负荷变化时,假设发电机组输出功率变化量分别为△Q。和△Q:,由于并联运行时电压变化量△K=△%。由式(9)可得:△Q1盯2△Q2(10)矿1由上式可知,波动的无功功率分配与机组问的电压调差系数的大小成反比。3系统仿真研究3.1转动惯量作用仿真分析本节通过考察虚拟同步发电机单独向负荷供电的模型,以验证其根据负荷变化调节自身输出以及转动惯量的作用。‘仿真参数:直流源电压%。为800V,滤波电感£i为18.4mH,滤波电容Ci为10“F,额定频率.厂N为50Hz,额定有功功率P。为10kw,额定无功功率Q。为0var,定子电枢电阻R。为0.01Q,电枢电感L。为O.2mH,Ri矿=0.0001,为检验虚拟同步发电机的抗干扰能力,在0.5s时负载增加2kw,在ls时负载减少4kW。图6可以反映出虚拟同步发电机的下垂调节特第52卷第2期电测与仪表V01.52No.22015年1月25日Ek.ctricalMeasureInent&hstllⅡn蛐tationJan.25。2015性,变化结果符合调差系数的设置,即负荷功率每变化一千瓦,频率对应变化0.1Hz,并且当负荷功率变化相同时,系统响应时间会随着转动惯量的增大而变长,同时频率变化越趋于平缓。原因分析如下:由于引人了转动惯量,虚拟同步发电机输出的机械功率不能随着负荷功率的突变而实时变化,功率的供求不平衡会导致在转子转轴上产生一定的转矩差,”s由式(4)可知,当转矩差△M一定时,转速变化率与(a)系统有功功率波形转动惯量成反比,因此为了提高系统的稳定性,可以黧适当增大转动惯量,缓解由于负荷频繁投切而导致i厂320系统频率的频繁快速变化。f℃..《辩L鬟淼1.2戮“(c)系统频率波形(d)系统电压幅值波形O.9图7虚拟同步发电机的并网调节特性黟Fig.7Grid—connectedI.egulation0.6characteristicsoftheVSGIjs(a)原动机提供的机械功率波形图7(a)为系统有功功率波形,P。。G、P一。、Pk。分43别为虚拟同步发电机提供有功功率、电网提供的有2功功率和负载消耗有功功率。由图可知,电网与虚lO拟同步发电机提供的有功功率等于负载消耗有功功9率,功率始终保持平衡,当功率发生波动时,由式(7)87可知,有功功率分配与机组的频率调差系数成反比,弧她。组瓤姐罱;6电网与虚拟同步发电机按照4:1来分配功率波动△JP,表现为在2s时虚拟同步发电机输出有功从20I,=0.15、0.3、O.6(kg・m2)时机械功率波形kw上升到22kw,电网输出有功从80kw上升到88图6与频率波形kW,在6s时虚拟同步发电机输出有功从20kw下降到18kw下降到72kw。图Fig.6MechanicalwaVefo咖sandkw,电网输出有功从80powerf琵queneywavefo瑚swhenl,is7(b)为系统无功功率波形,Q,。。、Q州、Qh。分别为虚0.15,O.3or0.6(kg・m2)拟同步发电机提供无功功率、电网提供的无功功率3.2虚拟同步发电机的并网调节特性和负载消耗无功功率。由图可知,系统的无功功率采用常规三相电压源模拟电网不能体现功率波没有发生变化,始终保持平衡,仅在负载有功突变时动对系统稳定性的影响,本文采用大容量汽轮发电刻产生瞬间变化,并且很。快就可以恢复到额定值。机模型来模拟电网,更能反映电力系统实际运行情图7(c)为系统频率,系统频率在额定状态下始终稳况¨引。仿真参数如下:汽轮发电机(电网):额定有定在50Hz,在2~4s和6~8s时刻内由于负荷的增功80kW,额定无功60Var,Rl=盯1=0.000025。虚拟加(减少)导致系统频率相应缓慢下降(上升)并稳定同步发电机:额定有功20kW,额定无功15Var,R:=于49.8Hz和50.2Hz,调节过程类似于同步发电机盯2=0.0001。初始状态下,系统的有功为100kW,无的一次调频。图7(d)为系统电压幅值,因为没有无功为75kVar。在2s时负荷增加10kW,4s后恢复,在6s时负荷减少10kw,8s后恢复。系统的仿真结果如功负荷的波动,系统电压可以始终保持稳定。图7所示。仿真结果表明,虚拟同步发电机可以模拟同步发电机在传统电力系统中的作用,并且在负荷波动万方数据第52卷第2期电测与仪表VOI.52No.22015年1月2S日Ekctrical—Ieasur咖ent&lns咖m蚰ta廿onJan.25.2015时,能够按照设置的调差系数合理分配负荷功率,参[5]王思耕,葛宝明,毕大强.基于虚拟同步发电机的风电场并网控与频率电压调整,及时调整自身输出,有利于系统的制研究[J].电力系统保护与控制,2011,39(21):49—55.稳定运行。WaJlgSigeng,GdBaoIIling,BiDaqiang.controlstrate舀es0f酣d—coIlIlectedwindfaⅡnbasedonvirtualsynchronousgenemtor[J].4结束语PowerSystemProtectionandContr01.2011,39(21):49-55.文中采用了一种新的逆变电源控制方法即虚拟[6]Qing-changzhong,SeⅡ.SynchronizedSynchronVeners:InVeners同步发电机控制策略,搭建了以大容量汽轮发电机withoutaDedicatedSynchronizationunit[J],IEEETransactionson模拟电网的逆变器并网发电系统。仿真结果表明,powerelectronics,v01.29,No.2,pp:617.630,Feb.2014.虚拟同步发电机模型中引入了转动惯量,使逆变电[7]苏建徽,汪长亮.基于虚拟同步发电机的微电网逆变器[J].电工电能新技术,2010,29(3):26圆.源具有发电机的旋转特性,可以有效抑制由于负荷SuJianhui,wangChangIiang.Virtualsynchronou8generatorbased频繁变化导致系统频率的快速响应,有利于改善系invertermicm咖d[J]..AdvancedTechn0109yofElectricalEn矛neer-统的稳定性。基于虚拟同步发电机的逆变电源在外ingandEner斟,2010,29(3):26-29.特性上近似等效为一个同步发电机,具有良好的调[8]郑晓明.微网逆变器虚拟同步发电机控制策略的分析与验证频调压性能,能够减少并网时对大电网的冲击。[D].河北:燕山大学,2叭3:24_28.参考文献ZhengXiaoming.7Iheanalysis卸dverificationofmicrogridinVertercontmlbasedonvirtualsynchmnousgenemtorprincilpe[D].HeiBei.[1]AzmyAM,ErlichI.ImpactofDistributedGenerationonthestabilityYanshanUniversity,2013:24_28.ofElect—calofElectricalPowerSystem[J].PowerEngineeringsocie—[9]汤蕴璎,史乃.电机学[M].北京:机械工业出版社,2007:264—tyGenemlMeeting,2005.IEEE,V01.:2,June16;Page(s):266.1056一1063.committeemodeIsforsteamand[2]Akta嘲啪an[10]IEEEreport.Dynamichydr0turbinesM,HaqueME,MuttaqiKM,NegevitskyM,Ledwichinpowersystemstudies.IEEETmnsactionsonPowerApparatusandG.controlstabilisationofmuItipledist曲utedgeneration[J].PowerSystems,92(6):1904—1915.E“g;neeringConfeIence,2007AUPEC2007Austml孕sianUniVersi—作者简介:ties,9—12Dec.2007;Page(s):1.5.[3]张兴,朱德斌,徐海珍.分布式发电中的虚拟同步发电机技术[J].电源学报,2012,(3):1石.徐湘楚(1990一),男,汉族,湖北咸宁人,硕士研究ZhangXing,ZhuDebin,XuHaizhen.Virtualsynchmnousgenemtor生,主要从事新能源发电技术研究。techno]09yindis伍butedgeneration[J].Joumal0fPowersupply,Email:xxc2632@126.com2012,(3):1-6.[4]丁明,杨向真,苏建徽.基于虚拟同步发电机思想的微电网逆变朱凌(1956一),男,汉族,安徽六安人,副教授,主要从事电机与电力电源控制策略[J].电力系统自动化,2009,33(8):89_94.电子理论和教学研究。Di“gMi”g,Yangxiangzhen,suJianhui.MicTo一葩dinvertercontml郭本峰(1989一),男,汉族,河南新乡人,硕士研究生,主要从事新能sIIategybasedonvirtualsync}l】吣nousgenemtor[J].AutomationofE—源发电技术研究。lectricPowerSystems,2009,33(8):89_94.收稿日期:2014旬3.19;修回日期:2014旬5—14(杜景飞编发)一84一万方数据