《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 電源技術(shù) > 設(shè)計應(yīng)用 > 多VSG并聯(lián)組網(wǎng)下的功率分配策略研究
多VSG并聯(lián)組網(wǎng)下的功率分配策略研究
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第5期
孫 戈1,張志禹1,馬如偉2
1.西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院,陜西 西安710048;2.國網(wǎng)山東省電力公司萊蕪供電公司,山東 萊蕪271100
摘要: 虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)控制算法能夠模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的外特性,控制逆變器為大電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐,以及相應(yīng)的慣性和阻尼特性,使得大電網(wǎng)的穩(wěn)定性得到提高?;诠聧u微電網(wǎng)下的VSG虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制策略,在外環(huán)中引入勵磁調(diào)節(jié)器,考慮實際導(dǎo)線參數(shù),提出一種多VSG并聯(lián)組網(wǎng)下的功率分配策略,通過搭建兩臺不同容量的VSG并聯(lián)系統(tǒng)仿真模型,實現(xiàn)VSG在并網(wǎng)下按照額定容量比進(jìn)行功率分配。經(jīng)過實驗驗證,多VSG并聯(lián)下的功率分配策略可以實現(xiàn)離/并網(wǎng)運(yùn)行模式的無縫、平滑切換,有較好的可行性與適用性。
中圖分類號: TM464
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172824
中文引用格式: 孫戈,張志禹,馬如偉. 多VSG并聯(lián)組網(wǎng)下的功率分配策略研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(5):151-154.
英文引用格式: Sun Ge,Zhang Zhiyu,Ma Ruwei. Power allocation strategy for multi VSG parallel networks[J]. Application of Elec-
tronic Technique,2018,44(5):151-154.
Power allocation strategy for multi VSG parallel networks
Sun Ge1,Zhang Zhiyu1,Ma Ruwei2
1.The College of Automation & Information Engineering,Xi′an University of Technology,Xi′an 710048,China; 2.State Grid of Shandong Laiwu Power Supply Company,Laiwu 271100,China
Abstract: Virtual synchronous generator(VSG) control algorithm can simulate the characteristics of the traditional synchronous generator, inverter with control can provide the voltage and frequency support for large power grid, and the corresponding inertia and damping characteristics,improving the stability of large power grid . In this paper, an excitation regulator is introduced into the outer ring based on double closed loop control strategy of VSG virtual impedance under islanding micro grid. Taking into account the actual wire parameters, this paper proposes a multi VSG parallel network power allocation strategy, by setting up two simulation models of VSG parallel system with different capacities, the power allocation of VSG under the grid connected capacity according to the rated capacity ratio is achieved. Experimental results show that the power allocation strategy in parallel with multi VSG can achieve seamless and smooth switching of off/grid operation mode, and has better feasibility and applicability.
Key words : virtual synchronous generator(VSG);inverter;virtual impedance;parallel;power allocation

0 引言

    微電網(wǎng)是各種類型的分布式電源并網(wǎng)的重要形式,也是清潔能源與電網(wǎng)之間的橋梁。隨著分布式電源滲透率的提高,增大對大電網(wǎng)電壓和頻率的不利影響,從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性是亟待解決的。傳統(tǒng)的微網(wǎng)逆變器控制策略幾乎沒有慣性,無法為電網(wǎng)提供穩(wěn)定性支撐,所以需要新的控制策略來改善新能源的調(diào)頻調(diào)壓特性,對未來智慧城市的建設(shè)具有重要意義。

    虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)的外接口特性能夠與同步發(fā)電機(jī)(SG)相媲美,具備SG所固有的轉(zhuǎn)子慣性、調(diào)頻調(diào)壓特性、下垂外特性以及輸出阻抗特性,對維持大電網(wǎng)穩(wěn)定性具有重要意義,利用VSG算法將逆變器控制成具有SG的特性,在負(fù)荷變化過程中,維持頻率和電壓穩(wěn)定[1]。文獻(xiàn)[1]通過模擬同步發(fā)電機(jī)的預(yù)同步裝置,實現(xiàn)虛擬同步發(fā)電機(jī)并/離網(wǎng)無縫切換,并且給出了轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)的參數(shù)優(yōu)化方法,但沒有考慮實際參數(shù)的物理意義。文獻(xiàn)[2-3]按照SG的電磁暫態(tài)特性進(jìn)行設(shè)計,主要考慮了有功調(diào)頻和無功調(diào)壓特性,保證了系統(tǒng)動態(tài)過程頻率和輸出電壓的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[4]對同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程線性化處理,提出了阻尼參數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量優(yōu)化方案,但沒有給出電磁暫態(tài)特性及調(diào)壓特性,弱電網(wǎng)下難以支撐電壓。

    本文基于孤島微電網(wǎng)下的VSG虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制策略,結(jié)合VSG控制框圖,首先詳細(xì)闡述了虛擬同步發(fā)電機(jī)各個控制部分的基本原理,其次以兩臺不同容量的VSG為例,提出并聯(lián)組網(wǎng)時的功率分配策略,通過搭建兩臺不同容量的VSG并聯(lián)系統(tǒng)仿真模型,實現(xiàn)VSG在并網(wǎng)下按照額定容量比進(jìn)行功率分配。最后經(jīng)過驗證,多VSG并聯(lián)下的功率分配策略可以實現(xiàn)離/并網(wǎng)模式下的無縫平滑切換。

1 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略

    虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略主要包括功頻調(diào)節(jié)器、勵磁調(diào)節(jié)器、電氣控制部分、雙閉環(huán)控制以及預(yù)同步過程五個部分,調(diào)制部分為SPWM調(diào)制用于驅(qū)動IGBT的通斷,VSG控制框圖如圖1所示。

dy2-t1.gif

1.1 功頻調(diào)節(jié)器

    由原動機(jī)方程和機(jī)械轉(zhuǎn)子方程共同組成功頻調(diào)節(jié)器,假設(shè)極對數(shù)為1,VSG的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程如式(1)。

     dy2-gs1.gif

式中:ω為轉(zhuǎn)子角速度;ω0為空載轉(zhuǎn)子角速度;Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩;Te為電磁轉(zhuǎn)矩;Pm、Pe分別為機(jī)械功率和電磁功率;D為虛擬阻尼系數(shù);J為虛擬慣量。虛擬同步機(jī)的功頻調(diào)節(jié)器能夠在并網(wǎng)跟蹤的基礎(chǔ)上對頻率的偏差做出有功調(diào)節(jié)響應(yīng),有效提升多微源逆變器應(yīng)對頻率異常事件情況,有助于頻率的平穩(wěn)變化,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 電氣控制部分

    現(xiàn)研究的逆變器控制算法大多數(shù)是逆變器輸出呈阻性,實際中同步發(fā)電機(jī)的輸出阻抗呈感性,故本文模擬同步發(fā)電機(jī)的外特性,VSG的電氣控制部分采用同步發(fā)電機(jī)的二階方程,為使VSG輸出阻抗呈感性,令r=0,如式(2)。

dy2-gs2.gif

1.3 勵磁調(diào)節(jié)器

    通過無功調(diào)壓下垂特性得到VSG機(jī)端電壓的給定值Uref,其表達(dá)式:

    dy2-gs3.gif

式中:UN為額定電壓,Dq為無功調(diào)節(jié)系數(shù),Qref、Q分別為無功指令和瞬時無功值。

    VSG無功調(diào)壓控制部分較好地模擬同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定電壓的特性,使得輸出電壓在一個合理值,能夠更好地實現(xiàn)VSG并聯(lián)下的功率分配。

1.4 雙環(huán)控制

    通過電壓和電流的相互解耦,實現(xiàn)電壓和電流的獨(dú)立控制能夠簡化控制算法,使得多微源逆變器的電壓控制方式是由電壓外環(huán)控制器和電流內(nèi)環(huán)控制器組合來實現(xiàn)的,電壓外環(huán)的主要作用是確定電流內(nèi)環(huán)的參考值,電流內(nèi)環(huán)的主要作用是實現(xiàn)電流的快速跟蹤控制,輸出SPWM波的調(diào)制電壓信號。控制框圖如圖1所示。

1.5 預(yù)同步控制原理

    為減少電流沖擊的影響,虛擬同步發(fā)電機(jī)并入微網(wǎng)前其輸出電壓頻率、相位和幅值必須與多微源母線電壓一致,預(yù)同步原理:q軸電壓經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后產(chǎn)生頻率調(diào)節(jié)量與VSG功頻調(diào)節(jié)器的輸出頻率疊加,產(chǎn)生微網(wǎng)母線電壓相位θ,并入多VSG時,為使Δω=0,必須切除并聯(lián)同步。此刻,VSG將和其他VSG共同承擔(dān)供電任務(wù)(注意VSG是空載并入逆變器的)。

    總的來說,虛擬同步發(fā)電機(jī)控制的逆變器具有和傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)一樣的外特性,在穩(wěn)定電壓和頻率的同時,分別利用虛擬慣量和虛擬阻尼系數(shù)來提高微電網(wǎng)的頻率和電壓的穩(wěn)定性。

2 多VSG并聯(lián)時的功率分配策略

    本文主要討論不同容量的兩臺VSG并聯(lián)組網(wǎng)時的功率分配,由于本文提出的基于VSG虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制策略可以通過調(diào)整虛擬阻抗的取值來調(diào)整其輸出阻抗的大小,圖2為含線路阻抗的兩臺VSG并聯(lián)示意圖,由于每臺VSG輸出有功功率和無功功率均受線路阻抗的影響,導(dǎo)致功率不能均分[5]。當(dāng)輸出阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線路阻抗時,線路阻抗對其影響可忽略。

dy2-t2.gif

    忽略線路阻抗時,每臺VSG機(jī)端輸出功率為:

     dy2-gs4-10.gif

    要按照額定容量比進(jìn)行有功功率分配,即需要:

dy2-gs11-16.gif

3 仿真分析

    如圖3所示,為兩臺VSG控制的兩電平逆變器帶LC濾波器組成的并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖,基于此框圖和結(jié)合圖1的VSG控制圖,在MATLAB/simulink平臺上搭建模型,對提出的分配策略進(jìn)行驗證。

dy2-t3.gif

    仿真參數(shù):直流母線電壓Udc=700 V,額定相電壓幅值UN=311 V,額定頻率f=50 Hz;VSG1仿真參數(shù):J=12,D=18,調(diào)頻系數(shù)Kp=10 000,無功調(diào)節(jié)系數(shù)Dq=0.03,虛擬阻抗Lvir1=5 mH,濾波電感L1=2 mH,濾波電容C=50 μF,導(dǎo)線參數(shù):R=0.2 Ω,L2=0.2 mH;VSG2仿真參數(shù):J=6,D=9,調(diào)頻系數(shù)Kp=5 000,無功調(diào)壓系數(shù)Dq=0.06,虛擬阻抗為Lvir2=10 mH,濾波電感L1=4 mH,導(dǎo)線參數(shù):R=0.4 Ω,L2=0.4 mH。

    仿真階段:VSG1帶載啟動,0.8 s啟動VSG2,在1 s時投入帶10 kW+8 Var的本地負(fù)載,1.5 s投入阻感,并聯(lián)同步使能,3~3.5 s并入電網(wǎng),整個運(yùn)行時間為4.5 s,在整個階段,兩臺虛擬同步發(fā)電機(jī)的輸出有功功率和無功功率如圖4和圖5所示。

dy2-t4.gif

dy2-t5.gif

    由圖4和圖5可知,引入勵磁器后,基于VSG虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制策略,很好地保證并聯(lián)組網(wǎng)模式下并網(wǎng)逆變器對功率的跟蹤,離網(wǎng)運(yùn)行模式下滿足本地負(fù)載的需求,在離/并網(wǎng)模式切換下系統(tǒng)具有和SG一樣的外特性。從圖中看到VSG1和VSG2輸出的有功功率之比和無功功率之比均為2:1,滿足上文中的仿真參數(shù)設(shè)計,驗證了本文提出的功率分配策略,實現(xiàn)了兩臺不同容量VSG在并聯(lián)組網(wǎng)下按照額定容量比進(jìn)行功率分配。

    圖6和圖7給出了虛擬同步發(fā)電機(jī)電流波形,3~3.5 s為并網(wǎng)時間,電流出現(xiàn)變化,但又迅速穩(wěn)定下來,整個階段,電流波形變化在所提策略設(shè)想內(nèi),運(yùn)行良好。圖7也是離/并網(wǎng)切換時電流波形變化情況,在切換過程中電流波形平滑穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)沖擊電流或者明顯波動。

dy2-t6.gif

dy2-t7.gif

    圖8給出的是虛擬同步發(fā)電機(jī)電壓波形,圖中給出的是1 s~3 s時間段,在離網(wǎng)運(yùn)行模式,預(yù)同步階段,離/并網(wǎng)模式下,虛擬同步發(fā)電機(jī)端電壓幅值一直保持在311 V左右,說明本文所提策略可以很好地控制其輸出電壓,圖9給出了微電網(wǎng)頻率變化曲線,在1 s投入本地負(fù)載時,頻率有微小波動,但很快又趨于平穩(wěn);在1.5 s時,無縫切換過程中VSG和微電網(wǎng)的頻率加大,微電網(wǎng)電壓要追趕電網(wǎng)電壓,促使微電網(wǎng)頻率迅速降低后,又在短時間內(nèi)恢復(fù),在并網(wǎng)階段,頻率保持不變,波形保持完好。圖10給出在1.5 s時的微電網(wǎng)電壓追趕電網(wǎng)電壓波形變化情況,大約在1.63 s實現(xiàn)同步,預(yù)同步響應(yīng)快速。

dy2-t8.gif

dy2-t9.gif

dy2-t10.gif

4 結(jié)論

    本文基于現(xiàn)有VSG虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制策略,引入勵磁控制器,考慮了實際導(dǎo)線參數(shù),提出一種多VSG并聯(lián)組網(wǎng)下的功率分配策略,通過搭建兩臺不同容量的VSG并聯(lián)系統(tǒng)仿真模型,實現(xiàn)了VSG在并網(wǎng)下按照額定容量比進(jìn)行功率分配。通過仿真分析和驗證,多VSG并聯(lián)下的功率分配策略可以實現(xiàn)離/并網(wǎng)運(yùn)行模式的無縫平滑切換,對示范工程建設(shè)有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 呂志鵬,盛萬興,鐘慶昌,等.虛擬同步發(fā)電機(jī)及其在微電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2014,34(16):2591-2603.

[2] 丁明,楊向真,蘇建徽.基于虛擬同步發(fā)電機(jī)思想的微電網(wǎng)逆變電源控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(8):89-93.

[3] Yang Xiangzhen,Su Jianhui,Ding Ming,et al.Control strategy for virtual synchronous generator in microgrid[C]//International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies.IEEE,2011:1633-1637.

[4] SHINTAI T,MIURA Y,ISE T.Oscillation damping of a distributed generator using a virtual synchronous generator[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2014,29(2):668-676.

[5] 韓華,劉堯,孫堯,等.一種微電網(wǎng)無功均分的改進(jìn)控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2014(16):2639-2648.



作者信息:

孫  戈1,張志禹1,馬如偉2

(1.西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院,陜西 西安710048;2.國網(wǎng)山東省電力公司萊蕪供電公司,山東 萊蕪271100)

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。