基于虚拟同步机的微网并离网切换策略研究

郝新星，苏建徽，施永，徐海波（.合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心，安徽合肥30009；.广东易事特电源股份有限公司，广东东莞53400）



基于虚拟同步机的微网并离网切换策略研究

郝新星1，苏建徽1，施永1，徐海波2
（1.合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心，安徽合肥230009；2.广东易事特电源股份有限公司，广东东莞523400）

摘要：对微网逆变器虚拟同步机控制及并离网模式切换进行研究。首先，建立了微网逆变器的虚拟同步机模型，并设计了基本的虚拟调速器和虚拟励磁调节器。其次，针对微网两种运行模式确定控制器的输入参考值，并设计了预并列单元，给出了微网在两种模式下切换的总控制框图。最后，在Matlab中建立简单的微网仿真模型并依托微电网实验平台进行相关实验，仿真和实验结果共同验证了所提控制策略的有效性。

关键词：微网；虚拟同步机；模式切换；调速器；励磁调节器；预并列

随着能源日益枯竭和全球环境问题的加剧，新能源将在电力系统中发挥越来越重要的作用，然而大量分布式能源的接入会对电网造成冲击，影响电网的电能质量。以分布式微源为主的微电网与传统大电网的相互补充是充分发挥新能源优势、提供可靠和优质电能一种较理想的方式。微网有两种运行模式，孤岛运行和并网运行，实现两种模式的平滑切换是目前微网研究的热点。微网并离网控制分为双模式控制和单模式控制。双模式控制通常在并网时采用PQ电流控制，在离网时采用VF电压控制［1-2］；但两种模式控制方法相互独立，并离网的模式切换相对复杂，且离网切换时如果不能及时检测出孤岛，存在切换失败的风险。单模式控制通常采用基于P-f和Q-V的下垂控制，在微网并离网状态下使用相同的控制方法，易于实现并离网模式切换［3］；但下垂控制不具备惯性，频率对负荷的波动比较敏感。

借鉴电力系统的运行经验，在微网逆变器控制策略中引入同步发电机算法，使逆变器模拟同步发电机的运行特性，能提高微电网的运行性能，并能方便地将传统电力系统中的运行控制策略移植到微电网中。文献［4］对同步发电机励磁系统做了仿真研究，文献［5-9］借鉴同步发电机的机械方程和电磁方程来控制并网逆变器，使逆变器在机理上和外特性上均能与同步发电机相媲美。但很少有文献对采用虚拟同步机控制的微网并离网切换进行具体研究。

本文在以上研究的基础上，提出了一种基于虚拟同步发电机（VSG）控制的微网并离网平滑切换控制策略。建立了虚拟同步发电机的数学模型，并设计了虚拟调速器和虚拟励磁调节器。在微网并网和孤岛状态下，均采用虚拟同步机控制，可在不改变控制器结构的条件下实现模式间的平滑切换。通过仿真和实验证明了所提出的微网并离网控制策略的有效性。

1　VSG算法模型的引入

微网逆变器模拟同步发电机控制的关键在于引入由转子运动方程和定子电气方程组成的同步发电机暂态数学模型。基于既不过分增加算法复杂程度，又能代表同步发电机的基本运行特性的思想，引入同步发电机的二阶数学模型，如下式所示：

式中：Pm，Pe分别为同步发电机的输入机械功率和输出功率；D，J为阻尼系数和转动惯量；Δω=ω-ωB，ω为实际角频率，ω=dθ/dt，ωB为额定角频率，θ为电压相位；为激磁电动势；为输出电压；为输出电流；ra，xt分别为定子电枢电阻和同步电抗。

由式（1）得到的虚拟同步机算法的实现框图如图1所示，其中uabc为

图1　虚拟同步机算法实现框图Fig.1 Realization diagram of VSG

由于J和D的引入，使得采用VSG算法的微网逆变器具有了惯性和阻尼电网功率震荡的能力。

微网中央控制器（MGCC）给定控制器的参考值（根据运行模式而定），下发给调速器和励磁调节器；调速器和励磁调节器输出Pm和E0，作为虚拟同步机转子运动方程和定子电气方程的给定值；对逆变器相应输出量进行采样，通过虚拟同步机算法得到端口电压的给定值；再通过内环控制器跟踪VSG输出的电压给定，确保电路满足定子电压模型。模拟同步发电机运行的原理如图2所示，带储能单元的微网逆变器主电路拓扑采用典型的三相全桥结构。

图2　带本地负荷的VSG控制原理图Fig.2 Schematic diagram of VSG with local load

2　控制器设计

本节借鉴同步发电机控制器的设计，设计适合VSG控制的具有下垂特性的有功—频率调速器和无功—电压励磁调节器。设计的调速器如图3所示。

图3　VSG调速器Fig.3 Speed controller of VSG

当系统负荷变化时，引起系统频率变化，根据频率偏差，由调速器改变VSG算法的输入功率Pm，从而保证系统内有功功率平衡及系统频率的稳定。ωref为VSG的参考频率，Kω为频率调节系数，Pref为有功功率前馈，LTP为有功功率限幅环节，限制调速器输出的有功功率，范围在［PLTL，PLTH］。PLTL为VSG允许吸收的最大有功功率，PLTH为VSG允许输出的最大有功功率。稳态时，虚拟同步机的输入功率等于输出功率，Pm=Pe，带调速器的VSG功频调节曲线为

可见，带调速器的VSG功频特性曲线具有有功—频率下垂特性，如图4所示。

借鉴同步发电机励磁调节器的相关理论，设计相应的虚拟励磁调节器，如图5所示。

图4　带调速器的VSG功频特性曲线Fig.4 P—f curve of VSG with speed controller

图5　VSG励磁调节器Fig.5 Excitation regulator of VSG

图5中，Uref为电压参考值；Uo为逆变器输出电压；UB=311 V，为电压的基值；ωB=314，为角频率的基值；Ke为电压调节系数。

由图5可知，设计的励磁调节器的数学模型为

正常运行时，在基频附近，VSG输出电压表达式：

式中：IoQ为VSG输出的无功电流；xoVSG为VSG的等效输出电抗（引入的虚拟电抗xt与电路电抗之和）。

结合式（4）和式（5），得到带励磁调节器的VSG电压调节特性为

微网运行过程中，VSG输出端电压保持在额定值UB附近。近似的有：

将式（7）带入式（6），可以得到：

可见，设计的带励磁调节器的VSG具有与同步发电机相似的无功—电压下垂调节特性，如图6所示。通过设置等效输出电抗和调节比例调节器Ke，可以调节无功—电压下垂特性。Ke越大，调节特性越平缓，无功—电压下垂特性越硬。无功负荷增加时，输出电压降低，通过励磁调节器输出的E0增加，从而提高输出电压，维持端口电压在一定范围内；反之，无功负荷减少时，也能维持端口电压在一定范围内。改变参考电压Uref的值能够上下平移调节特性曲线，从而改变VSG输出的无功功率。

图6　带励磁调节器的VSG电压调节特性Fig.6 Q—V curve of VSG with excitation regulator

3　微网逆变器并离网平滑切换

本节主要讨论微网孤岛模式与并网运行模式下控制器的输入参考值给定和预并列单元的设计，并讨论两种模式下的平滑切换。微网由多个带储能的微源组成，在这里针对并离网切换以单台带储能微源作研究。

3.1孤岛运行

根据图3和图5设计的调速器和励磁调节器结构，将参考电压和参考频率的值给定为UB和ωB，系统具有P—f和Q—V下垂特性，可以按照系统带的负荷输出有功功率和无功功率，并能够实现多微源组网时有功功率和无功功率的分配。

3.2并网运行

微网逆变器并网运行时由大电网提供电压和频率的支撑，系统频率ω=ωgrid，输出电压Uo=Ugrid。一般需要根据给定的有功指令和无功指令输出有功功率和无功功率。由图3可知，调速器已经提供了调度有功的接口，且当输入参考频率ωref=ωgrid时，输出有功P=Pref。为了使励磁调节器能提供无功调度接口，希望将VSG电压调节特性方程设计为以下形式：

将式（9）带入式（8），可以得到：

在图5励磁调节器的基础上，根据式（10）可将参考电压Uref接口变成调度无功功率Qref接口，且输出无功Q=Qref。

可见，VSG在并网模式下，只需对原有的调速器和励磁调节器的输入参考信号进行简单的调整即可，并不改变原有的控制器内环结构，比较容易实现微网的并离网切换。

3.3并/离网切换技术

由以上分析可知，设计的控制器使基于VSG控制的微网逆变器在孤岛状态和并网状态下采用相同的控制策略，类似于下垂控制，在计划孤岛或非计划孤岛发生时只需切换控制器的给定值即可，功率的差值由储能单元补充，切换过程不会出现太大的突变。

3.4离/并网切换技术

虚拟同步机离网运行时，微网和大电网之间的电压和相位会出现偏差，在不恰当的时刻并网会引起较大的冲击电流，因此，需要设计虚拟同步机的预并列单元来实现并网运行。当MGCC发出并网指令时，将微网相应微源由孤岛运行模式切换到预并列控制单元。在已设计的调速器和励磁调节器基础上，设计预并列控制单元，如图7所示，包括频差控制单元和电压幅值差控制单元。

图7　预并列控制单元Fig.7 Presynchronization control unit

利用锁相环实现对电网相位的跟踪。频率为相位的微分，因此相位满足条件时，频率也可以实现无差跟踪。电压幅值差控制单元通过PI调节器使VSG输出电压跟踪电网电压。启动预并列单元后，应立即将输入参考值切换为电网的电压和频率，并闭合图7的2个预并列切换开关。MGCC实时检测微网与大电网的电压差、频率差和相位差，当其均满足合闸条件时，启动合闸信号，闭合网侧开关，并将控制策略切换到并网运行时的控制策略，实现并网运行。

综合上述分析，由于并离网切换时不改变内环的控制结构，只是改变控制器的输入值，因此选择合适的控制参数，所提的方案就能比较容易实现微网逆变器的并离网平滑切换。基于虚拟同步机控制的微网逆变器在不同模式切换的总的控制框图，如图8所示，其中Uref由式（10）得到。

图8　总控制框图Fig.8 General control block diagram

4　仿真及实验

4.1仿真结果及分析

在Matlab中搭建单台微网逆变器仿真模型，对上述微网并离网切换方案进行验证。主要仿真模型参数为：J=0.33，D=0，Kω=3 183，Ke=0.1，虚拟电抗xt=100×πi×0.008，滤波电感=2 mH，滤波电容8μF，Pref=10 kW，Qref=0，负荷为10 kW，5 kvar。

图9　仿真结果Fig.9 Simulation results

仿真结果如图9所示，初始状态0～2 s，微网逆变器处于孤岛独立带载运行，由于设计的控制器具有P—f，Q—V下垂特性，逆变器输出电压出现跌落（见图9a），输出有功和无功也存在跌落（见图9c），由于逆变器与电网频率存在恒定的偏差，所以此时电网和逆变器的相位差呈线性（见图9d）；2 s时发出预并列命令，启动预并列单元，输入电压和频率参考值切换为电网电压和电网频率，逆变器与电网的电压幅值差和相位差逐渐减小为0（见图9d、图9e）；6.5 s时刻相位差、频差和电压差均满足并网条件，预并列结束，闭合网侧开关，并切换控制策略，进入并网运行模式，电压恢复到电网电压（见图9a），此时逆变器按调度有功和调度无功输出功率（见图9c）；12 s时断开网侧开关，并切换控制策略，进入离网运行模式。整个仿真过程，电压电流和功率的波动都在允许范围内。仿真结果表明，本文设计的基于虚拟同步机控制的微网并离网切换方案是可行的。

4.2实验结果及分析

为验证本文所提方案的可行性，借助微网实验平台（由1台100 kW储能变流器，微网中央控制器，智能网关断路器，负荷等构成），进行相关实验，录波仪得到的实验结果如图10所示。

图10　实验结果Fig.10 Experimental results

图10a中MCH1，MCH2，MCH3通道的波形依次是孤岛转并网时的逆变器输出电压、电网电压、逆变器输出电流波形。系统带8 kW电阻负载，给定有功功率指令6 kW，无功指令0 kvar，方框中为预同步的波形，下半部分为方框中波形的放大。由实验结果可见，启动预同步之后，逆变器输出电压、电流无明显超调，能平滑切换到并网运行模式。孤岛时电流大于并网时电流，说明微网逆变器并网之后按照给定的有功功率指令输出功率。

图10b中MCH1，MCH2，MCH3通道的波形依次是并网转孤岛时的逆变器输出电压、电网电压、逆变器输出电流波形。系统带8 kW电阻负载，给定有功功率指令10 kW，无功指令0 kvar。断开网侧的开关，并切换控制策略，进入孤岛运行。由图10可知，离网后，进入独立带载运行，逆变器输出电压存在跌落，并网转孤岛的瞬间，电流并没有出现突变，能够平滑切换到孤岛运行。

5　结论

本文基于虚拟同步发电机技术，研究了微网并网和孤岛两种运行模式下的虚拟调速器和励磁调节器的设计，设计了预并列单元，实现了微网并离网的平滑切换。并离网模式采用相同的控制方式，切换方案简单易于实现。最后，通过仿真和实验对所提切换方案进行了验证，仿真和实验结果表明所提的控制策略能够实现微网的平滑切换，具有一定的应用价值。

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修改稿日期：2015-07-16

Research on Switch of Microgrid Between Grid-tied and Islanded Operation Modes Based on Virtual Synchronous Generator

HAO Xinxing1，SU Jianhui1，SHI Yong1，XU Haibo2
（1. Research Center for Photovoltaic System Engineering of MOE，Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui，China；2. Guangdong East Power Co.，Ltd.，Dongguan 523400，Guangdong，China）

Abstract:Microgrid inverter with virtual synchronous generator（VSG）control and smooth transfer between grid-tied and islanded operation modes were researched. Firstly，the model of microgrid inverter with VSG control was built and the basic virtual speed controller and virtual excitation regulator were designed. Then，set the input reference of the controllers according to the two kinds of operation mode and designed the presynchronization unit and gave the overall control diagram for the switch of two kinds of operation mode of microgrid. Finally，a simple microgrid simulation model was built on matlab and relevant experiment was done on a microgrid experimental platform. Both simulation and experimental results verify the effectiveness of the proposed strategies.

Key words:microgrid；virtual synchronous generator（VSG）；mode transfer；speed controller；excitation regulator；presynchronization

收稿日期：2015-01-29

作者简介：郝新星（1989-），男，硕士研究生，Email：hfut_haoxinxing@163.com

基金项目：广东省引进创新科研团队计划资助（2011N015）

中图分类号：TM76

文献标识码：A