虚拟同步发电机技术及其在光储微电网中的应用

陶银正蒲道杰毛福斌

（1.国网安徽省电力公司检修公司，合肥 230061；2.合肥工业大学，合肥 230009）

虚拟同步发电机技术及其在光储微电网中的应用

陶银正1蒲道杰1毛福斌2

（1.国网安徽省电力公司检修公司，合肥 230061；2.合肥工业大学，合肥 230009）

为了提高变电站站用电系统的供电可靠性，针对基于虚拟同步发电机技术的储能逆变器及其在光储微电网中的应用进行研究。介绍微网系统的拓扑结构和不同工作模式，设计微网各个子系统的参数，建立基于虚拟同步发电机（VSG）控制策略的储能逆变器数学模型，分析VSG并网和孤岛两种控制模式及其之间的切换。针对 500kV河沥变电站光储微网系统，利用其中100kVA储能逆变器进行实验，验证VSG控制策略的可行性与有效性。

微电网；储能逆变器；虚拟同步发电机；可靠性

微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，可以实现并网或孤岛运行[1]。储能逆变器作为微电网的重要组成部分，可以满足微电网多样化的用电需求，可以作为不间断电源，增强局部供电的可靠性，支持本地频率和电压；还可以克服微网惯性小、抗扰动能力弱的问题，对微网的稳定控制和电能质量的改善起到关键作用。作为一种新的储能逆变器控制方案，虚拟同步发电机（VSG）技术受到了广泛的关注[2-4]。和下垂控制相比，VSG通过模拟同步发电机的运行特性，不仅可以更好地支撑微网的频率，还可以实现多逆变器的并联组网运行，改善了微网的运行性能。

目前，国内外关于微电网相关技术及其研究成果的集中验证和展示主要集中在示范工程项目[5-6]，既有安装在边远地区、海岛孤网运行的微电网，也有与配电网并网运行的微电网。示范工程对微电网的研究和应用均具有重要的意义。然而，微电网示范工程由于供电环境复杂、运行模式多样，在保证供能的基础上更多的关注能量综合控制、多微电源协调控制等。对于微电网运行模式的分析和相关控制策略的研究较少或受容量限制不具备代表性和借鉴性。另外，基于微网系统的高压变电站站内用电系统不间断供电应用以及相关工程现场的实验验证较为缺乏。

基于以上研究现状，本文针对500kV河沥变电站光储微网系统进行研究，给出了微网系统的拓扑结构和不同工作模式，设计了微网各个子系统的参数，建立了基于虚拟同步发电机（VSG）控制策略的储能逆变器数学模型，分析了VSG并网和孤岛两种控制模式及其之间的切换。利用其中 100kVA储能逆变器进行实验，验证VSG控制策略的可行性与有效性。

1 微网系统的拓扑结构和工作模式

1.1 微网系统的拓扑结构

本文中微网系统主要由4个子系统组成，包括光伏子系统（电池板、汇流箱、光伏逆变器等），储能子系统（蓄电池组、直流配电柜、储能逆变器等），配电子系统（交流切换配电柜等）和能量管理与监控子系统（通信柜、通信线路、监控终端等、MEMS系统、SCADA系统），如图1所示。

图1 微网系统拓扑结构图

1.2 微网系统的工作模式

根据断路器KM1和KM2的不同开关状态，微网系统主要工作在以下3种模式。

1）离网运行：储能逆变器工作在VSG控制模式，建立交流电压，支撑交流母线，光伏逆变器工作在MPPT控制模式，储能逆变器和光伏逆变器输出交流侧并联，组建交流母线微网系统，如图2所示。此时，光伏单元发电优先供给本地负荷消纳，多余的电量存储到储能单元；当储能单元电量已充满时，限制光伏单元发电功率或进行关机，保证功率平衡。

图2 离网运行示意图

2）并网运行：储能逆变器工作在P/Q控制模式，光伏逆变器工作在MPPT控制模式，储能逆变器和光伏逆变器输出交流侧并联到电网，如图3所示。此时，光伏功率大于负载功率，负荷由光伏单元供电，同时多余电量通过储能逆变器给储能单元充电。当储能单元电量充满，光伏逆变器处于限功率模式运行（针对电网不可逆流）或多余电量向上一级电网输送。光伏功率小于负载功率，负荷由光伏单元和市电单元共同给负载供电或光伏单元和储能单元共同给负载供电。

图3 并网运行示意图

3）电网供电：储能单元容量低时设定值，系统自动切换到在电网供电模式，负荷由电网供电，如图4所示。此时，光伏单元发电给储能单元充电，负荷由电网供电。当储能单元电量恢复到设定值时，微网系统恢复到离网运行。

2 微网子系统的参数设计

微网系统的设计主要包括组件功率计算、光伏逆变器选型计算、蓄电池组容量计算和储能逆变器选型计算。

图4 电网供电运行示意图

1）组件功率计算：

式中，P0为太阳电池组件的峰值功率，单位Wp；P为负载的功率，单位 W；t为负载每天的用电小时数，单位H；Q为连续阴雨期富余系数（一般为1.2～2）；η1为系统的综合效率（一般为 80.68%左右）；T1为当地的日平均峰值日照时数，单位H。

2）光伏逆变器选型计算：

式中，Pn为逆变器的容量，单位W；P为组件功率，单位Wp；cosθ为逆变器的功率因数（一般为1）；Q为逆变器所需的裕量系数（一般选1～1.1）。

3）蓄电池组容量计算：

式中，C为蓄电池组的容量，单位Ah；P为负载的功率，单位W；t为负载每天的用电小时数，单位H；V为蓄电池组的额定电压，单位 V；K为蓄电池的放电系数，考虑蓄电池效率、放电深度、环境温度影响因素而定，一般取值为 0.4～0.8，该值的大小也应该根据系统成本和用户的具体情况综合考虑；η2为逆变器的效率；η3为蓄电池循环放电效率；T2为连续阴雨天数（一般为1～5天）。

4）储能逆变器选型计算：

式中，Pn为逆变器的容量，单位VA；P为负载的功率，单位W；cosθ为逆变器的功率因数（一般为0.9）；Q为逆变器所需的裕量系数（一般选1.2～1.5），对于冲击型负载该系数适当放大一定裕量系数。

3 基于VSG控制的储能逆变器

三相隔离型 VSG逆变主电路及其控制结构如图5所示。本文采用基于VSG控制的电压源结构，主要包括：①VSG控制器，主要引入隐极同步发电机的二阶机电暂态模型来模拟其转子惯性和阻尼特性，并得到VSG输出端口电压给定值；②内环控制器，通常采用电压电流双环设计，用以跟踪VSG控制器输出的电压指令；③SVPWM发生和驱动控制器。

图5 三相VSG主电路拓扑及其控制结构

VSG控制器在实现有功-频率下垂控制和无功-电压下垂控制的同时，还需模拟同步发电机转子惯性和阻尼特性。针对 VSG控制器中的有功-频率控制而言，同步发电机的一次调频特性以VSG调速器方程模拟，而同步发电机惯性及其阻尼特性则以VSG转子运动方程来模拟。VSG调速器方程、VSG转子运动方程[7]、无功-电压下垂方程分别如式（5）、式（6）、式（7）所示。

式中，ωref、ωm和ωg分别为VSG给定角频率、输出角频率和电网角频率；m为有功下垂系数；Pref、Pm和Pe分别为VSG给定有功功率、机械功率和输出有功功率；J=J0ωm为VSG惯性，D=D0ωm为VSG阻尼，J0、D0分别为 VSG惯性系数和阻尼系数；Qref和 Qe分别为给定无功功率、输出无功功率；n为无功下垂系数；Uref和U分别为VSG给定端电压幅值和输出端电压幅值；Δθ为预同步使能时叠加在相位角θ上的调节角度。在需要说明的是，考虑到VSG仅工作于额定角频率附近，使用纯积分环节需要较长的启动时间。为了优化VSG的启动特性[8]，在VSG输出角频率处加入前馈量ωref。

图6 VSG功率闭环等效控制框图

VSG功率闭环等效控制框图如图6所示。不难发现，VSG机械功率Pm和输出有功功率Pe之间的传递函数是一个典型的二阶系统，对照典型二阶系统的闭环传递函数：

对于VSG的内环控制，本文采用电容电压外环和电容电流内环，用以稳定交流电压输出和获得较快的动态响应，其控制器参数的设计和整定参照文献[8]，这里不再赘述。

VSG具有与同步发电机相媲美的外特性，既可并网运行，也能自治地实现独立运行。因此，当电网切除后，VSG仍保持电压源模式运行为微网提供电压支撑，因而可以自然地实现并/离网模式的无缝切换，无需进行控制策略的切换。

而当VSG离网运行后，将VSG切换到并网运行模式，由于与电网电压存在幅值和相位差，可能会产生过大的并网冲击电流。因此，在接收到并网指令时，需要使能预同步控制器，当实现VSG输出电压与电网电压之间的幅值和相位同步时切换至并网模式。

4 实验验证

为了进一步验证 VSG控制方案的有效性和优越性，利用 500kV河沥变电站光储微网系统中100kVA储能逆变器进行实验验证，实验平台参数见表1。

表1 VSG系统参数

整个过程实验波形如图7所示。从t0时刻，储能逆变器独立稳定运行于VSG控制模式，如图8所示；t1时刻增大微网内负荷，此时储能逆变器 VSG独立运行，如图9所示。由图9可知，VSG能够维持输出电压恒定，输出电流经过半个周波即达到稳态，暂态过程短暂且平稳，动态性能较好。

图7 VSG切换实验波形

图8 VSG独立运行时实验波形

图9 VSG独立运行增大负载时实验波形

1s后直到 t2时刻为 VSG模式切换实验。VSG经过预同步，幅值和相位差逐渐减小为零，切换至并网运行。并网预同步过程如图 10所示，VSG切换至并网模式运行波形如图11所示。可以看出，由于预同步的存在，VSG进行模式切换时避免了暂态电压电流冲击，也避免了不同控制策略之间的切换，体现了VSG控制策略的优势。

图10 VSG并网同步过程实验波形

图11 VSG并网运行时实验波形

图12为VSG控制与下垂控制的频率响应对比图，不难发现，下垂控制的频率在负荷增加的瞬间即发生跌落，而由于虚拟惯性的引入，VSG控制能够有效抑制频率的动态跌落，提高了系统的频率稳定性。

图12 VSG与下垂控制频率响应对比图

5 结论

本文主要介绍了高压变电站内光储微网系统的拓扑结构和工作模式，详细设计了微网各个子系统的参数，建立了基于VSG控制策略的储能逆变器数学模型，分析了VSG并网和孤岛两种控制模式及其之间的切换。通过对500kV河沥变电站光储微网系统中100kVA储能逆变器实验，验证了VSG控制策略的可行性与有效性，有效提高了变电站站用电系统的供电可靠性。然而，对于整个微网系统运行的研究，如对多分布式电源的并联控制、分布式电源接入与退出对微网系统的影响还有待进一步研究。

[1]吕志鹏,盛万兴,钟庆昌,等.虚拟同步发电机及其在微电网中的应用[J].中国电机工程学报,2014,34(16):2591-2603.

[2]Sakimoto K,Miura Y,Ise T.Stabilization of a power system with a distributed generator by a Virtual Synchronous Generator function[C]//Proceedings of IEEE 8th International Conference on Power Electronics ECCE Asia,2011,JeJu,South Korea.

[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,2012,10(3):1-6.

[4]D'Arco S,Suul J A.Virtual synchronous machines-Classification of implementations and analysis of equivalence to droop controllers for microgrids[C]//Proceedings of IEEE PowerTech,2013,Grenoble,France.

[5]王成山,周越.微电网示范工程综述[J].供用电,2015(1):16-21.

[6]Zheng Zeng,Rongxiang Zhao,Huan Yang,et al.Policies and demonstrations of micro-grids in China:A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2014,29:701-718.

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[8]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电源控制策略[J].电力系统自动化,2009,33(8):89-93.

Virtual Synchronous Generator Technology and Its Application in PV-Storage Micro-grid

Tao Yinzheng1Pu Daojie1Mao Fubin2
(1.State Grid Anhui Electric Power Company,Maintenance Company,Hefei 230061;2.Hefei University of Technology,Hefei 230009)

In order to improve power supply reliability of substation power supply system,energy storage inverters based on virtual synchronous generator (VSG) technology and its application in PV-storage micro-grid is studied in this paper.The topology of micro-grid and its different working modes are introduced and the parameters of the subsystems are designed.The mathematical model of energy storage inverter based on VSG is built.The grid-connected and stand-alone control modes of VSG and the transitions between them are analyzed.Through PV-storage micro-grid system in 500kV River Li substation experiment results,using 100kVA energy storage inverters,the feasibility and effectiveness of the VSG control strategy is verified.

micro-grid;energy storage inverter;virtual synchronous generator (VSG);reliability

陶银正（1987-），男，硕士研究生，工程师，研究方向为电力系统。