基于虚拟同步发电机的微电网控制策略研究

黎金英，艾 欣，邓玉辉

（1.绥和工业学院，电气与电子工程学院，越南 绥和 56000）

（2.新能源电力系统国家重点实验室，华北电力大学，北京 昌平 102206）

（3.广宁工业大学，电气与电子工程学院，越南 广宁 20000）

基于虚拟同步发电机的微电网控制策略研究

黎金英1，艾 欣2，邓玉辉3

（1.绥和工业学院，电气与电子工程学院，越南 绥和 56000）

（2.新能源电力系统国家重点实验室，华北电力大学，北京 昌平 102206）

（3.广宁工业大学，电气与电子工程学院，越南 广宁 20000）

针对微电网中的分布式电源出力的间歇性导致微电网频率及电压不稳定的问题，通过建立虚拟同步发电机(VirtualSynchronousGenerator，VSG)控制系统的数学模型，设计了一种基于频率控制、电压控制和功率控制的反馈控制器，并给出了相应的控制方法；通过理论分析分布式电源的频率、电压特性及其对微电网频率、电压稳定性的影响，提出了能够有效抑制分布式电源功率波动，提高微电网电能质量的控制策略。仿真结果表明：VSG能稳定地控制微电网频率、电压，具有很好的稳态性。

虚拟同步发电机；微电网；频率稳定；电压稳定；控制策略

近年来，含有分布式电源（distributed generation，DG）的微电网并网运行对配电网影响的研究被学术界广泛关注。从定义上说，微电网包含了多种电气设备，诸如储能装置、保护装置、负荷以及新能源发电电源等［1］。这些电力设备的协同运行将对电网的电能质量产生一定的威胁［2］。这种影响与电力电子装置的应用、独特的负荷特性和控制方式密切相关。另外，微电网电能质量问题与主电网不同，有着自身的特点，因此对微电网电能质量的评估、分析与主电网有所不同。微电网有2种运行方式：并网运行和孤岛运行。不论是并网运行还是孤岛运行，都需要对各自子单元进行有效的电能质量控制，其输出电压和频率的幅值应在一定范围内，电能质量要达到相应的标准［3］。传统的逆变器下垂控制方式因缺少惯性，使得其暂态特性难以满足电压和频率的质量要求，虚拟同步发电机（Virtualsynchronousgenerator,VSG)技术是近年来发展起来的一种新型的逆变器控制技术，本文将其应用于微电网的电压和频率控制，从而对微电网的运行产生积极的影响。

文献［4］提出的控制策略为下垂控制。该方法会产生电压与频率控制偏差。文献［5］通过分段函数可以在一定程度上解决控制偏差，但是不能完全消除控制偏差的问题。文献［6］介绍的方法使得微网电源参与电网的二次调频，并分析了多微电源互联的可能性，但又会产生环流问题。文献［7］提出的下垂控制策略虽然改善了稳态电压控制偏差，但其缺点为没有考虑线路阻抗对功率分配的影响。文献［8］提出采用VSG控制策略，但是该方法依然没有解决稳态电压控制偏差问题。

本文提出的VSG控制方法主要为电网的电压和频率控制。基于VSG的二阶模型，提出了合理分配和协调各微电源有功和无功功率分配的方法。在并网运行方面，提出了一种平滑切换的控制策略，通过Matlab/simulink软件对频率、电压进行了验证。仿真结果表明，采用虚拟同步发电机控制微电网，运行的稳定，能实现较好的动态频率、电压效果。

1 微电网结构

本文研究中用到的微电网结构如图1所示。系统中包含交直流DC/AC逆变器、AC/DC整流器、负荷、直流母线、交流母线、VSG和分布式电源（如光伏、风力发电和储能等）。

图1微电网的结构

在微电网系统中，实际负荷由3种不同变化规律的变化负荷组成，负荷的变化会导致频率（或者电压）相应变化。根据文献［9］可知，VSG的频率和电压控制可以实现系统有功和无功的自动分配。

2 虚拟同步发电机的基本原理

对同步发电机来说，可以通过控制机械功率来稳定系统频率，通过控制励磁来稳定机端电压。虚拟同步发电机则必须比照同步发电机来模拟同步发电机特性。这种模拟主要体现在加入与同步发电机类似的频率、电压闭环控制，使得VSG在动态过程中可以模拟同步发电机的特性［10］。本文提出的VSG控制如图2所示。

图2虚拟同步发电机的微电网原理

图2中包含基于IGBT的逆变器；Vdc为直流母线电压；ia、ib、ic分别为逆变器的a、b、c三相输出电流；Lfabc为滤波电感；Cfabc为滤波电容；Lgabc为滤波电抗；vgabc为并网点的三相电压、igabc为并网点的三相注入电流、电压进行检测（vgabc、igabc）经过低通滤波器（low pass filter，LPF），并馈入到控制系统中，可以指导VSG对系统的电压和频率进行调整。根据文献［11］，虚拟同步发电机模拟二阶同步发电机模型，可以模拟出大惯性和大阻抗的同步机，并且具有自同步的能力，该文献中的设计可以满足系统稳定运行的要求。VSG的动态特性模拟同步发电机的特性，其形式为

Rt——定子电阻；

Xs——同步电抗；

J——转动惯量；

ω——电角速度；

ωn——机械角速度；

Tm、Te——分别为VSG的机械转矩和电磁转矩；

Pm——机械功率；

Pe——电磁功率。

从式（1）、式（2）、式（3）可以看出，VSG可以模拟出同步发电机的动态特性。

3 基于VSG VSG的微电网频率和电压控制策略

3.1频率控制器

微电网的频率波动是由系统有功功率不平衡引起的。当负荷消耗的功率（Pe）和发电机的机械功率（Pm）发生不平衡时，系统的频率将发生偏差［12］：

（1）同步发电机具有惯性和阻尼，因此当系统发生功率不平衡时，系统的频率变化较慢，该过程属于惯性响应范围；

（2）当系统出现频率偏差后，原动机按照频率偏差进行频率调整，调整过程由调速器完成，该过程为系统的一次调频，一次调频不能完全消除频率偏差；

（3）通过主动使得电源增发功率，系统的频率可以恢复到给定的水平，该过程为二次调频，二次调频可以实现有差的频率条件，也可以实现误差的频率条件。

根据式（4）可知，有功功率指令PVSG与系统频率变化率大体上成正比，因此，该控制只能虚拟惯性，使得频率的变化速率较小，对系统的频率恢复没有贡献。为了使得微电源参与系统频率调整，虚拟同步发电机需要模拟一次调频。该行为所对应的的有功功率指令可以表示为

kf——有功功率控制系数，为了保证一次调频的品质到达电网对频率偏差范围的要求，kf一般取值较大；

fref——频率参考值；fg——电网频率。

根据式（5）可知，当系统频率降低时，逆变器将增发出一定量的有功功率，反之亦然。在dq坐标下，VSC输出的瞬时有功功率p˜和瞬时无功功率q˜通过低通滤波后的值［13］为

式中：ωc——滤波器的转折频率；

s——拉普拉斯变换因子；

vd、vq——分别为va、vb、vc在dq坐标轴上的等效分量；

id、iq——分别为ia、ib、ic在dq坐标轴上的等效分量。

由式（5）、式（6）可得如图3所示的频率控制器框图。

图3频率控制器

由图3可知，常用比例控制器实质上增大了系统的等效阻尼绕组系数，缩短了暂态时间，有利于抑制微电网系统频率的变化。当微电网运行稳定时，频率偏差Δf为零。

3.2电压控制器

根据上述分析，VSG的励磁电动势指令可以由3部分构成［14］：其一为空载虚拟电动势E0，该值表示VSG空载时的机端电压；其二为对应于无功功率控制的部分△EQ，该部分可以表示为

式中：Qref——并网逆变器的无功功率指令；

kq——无功功率控制系数；

Qo——逆变器输出的无功功率，如式（7）所示。虚拟励磁电动势指令的第3部分对应于发电机端电压控制单元的输出△EV，可以表示为：

式中：kv——电压控制系数；

Vref——并网逆变器发电机端电压有效值的指令值；

V——并网逆变器发电机端电压有效值的真实值。

城市总体规划重点关注城市发展规模、经济发展规模、城市用地布局、城区的给水和排水工程建设等，有些内容是方向性和指导性的，因此使得城市总体规划水资源论证与城市总体规划的涉水内容很难衔接。如果仅仅回答或论证城市总体规划供水与排水又流于一般性的建设项目水资源论证，因此，尺度与深度不好掌握。

由上文可得虚拟同步发电机的励磁电动势为

由式（7）、式（8）、式（9）和式（10）可得如图4所示的电压控制器框图。

图4电压控制器

由图4可知，虚拟同步发电机输出完整的无功功率，使得微电网系统电压稳定，当微电网运行稳定时，电压偏差△V为零。

3.3锁相环（PLL）

锁相环是一种根据反馈控制原理实现信号的频率和相角θ同步的技术，在微电网系统中起着非常重要的作用。它利用派克变换将三相静止坐标系下的电压变换为dq坐标系下的两相电压，并通过控制q轴电压分量为零来得到同步相角θ。

三相静止坐标系下的电压［15］可以表示为

已知派克变换为

则由式（11）和式（12）可知：

则式（13）可以写成：

由式（14）可以看出，当α=θ时，PLL输出的相位及其三相电压中的a相电压相位相同，同时vd=V,vq=0，则可以通过控制 vq=0来实现α=θ。锁相环（PLL）基本原理如图5所示。

图5锁相环原理

3.4电流控制器

在逆变器的控制系统设计中，传统的PI控制器不能够对交流量进行无静差控制，为了实现对交流分量的无静差控制，本文提出PR控制器的传递函数［16］，可以表示为

式中：kp——比例增益；

kr——谐振系数；

ωr——设定的谐振频率。

由式（15）可知，PR控制器的传递函数，可将传递函数第二部分重新定义为

针对传递函数GR(s)，可得其输入输出之间的关系可以表示为

则可将传递函数GR(s)，分成2个简单积分环节

结合式（15）、式（16）和式（18）可得到如图6所示采用PR控制器的电流控制原理框图。

图6 PR控制器的电流原理

4 仿真分析

为了分析和研究VSG控制算法的实际控制效果，本节在Matlab/Simulink仿真平台上搭建如图7所示的分布式电源发电系统的仿真模型，并在此基础之上进行仿真分析。

图7系统仿真模型

在图7中，S1、S2和S3分别为静态开关；DG1和DG1为微电网系统中的分布式电源。仿真系统的具体参数如表1所示。

4.1孤岛运行仿真分析

微电网中的分布式电源输出的有功功率和无功功率随时间变化曲线如图8所示。

图8微电网输出的功率

由图8可以看出，在t=0.1 s时，系统负荷发生变化，微电网中的分布式电源输出的有功功率和无功功率分别变为3.8 kW、2 kvar。此时，虚拟同步发电机还没有运行，微电网输出的频率偏差和电压偏差在0.1 s和0.2 s时存在很大的波动，如图9(a)和图9(b)所示。

图9微电网输出的频率与电压

采用基于频率控制器和电压控制器的虚拟同步发电机控制策略后，微电网输出的频率和电压在0.1 s后只有很小的波动，很快进入稳态过程。因此，基于虚拟调速器和虚拟励磁控制器的VSG控制策略能够满足调压调频的要求，维持整个系统电压和频率的稳定，如图10(a)和图10(b)所示。

图10采用VSG后的频率与电压

4.2并网运行仿真分析

当微电网和主电网联网运行时，微电网中的分布式电源输出的有功功率和无功功率随时间变化曲线如图11所示。

图11微电网输出的功率

由图11可以看出，在t=0.1 s时刻后，系统负荷发生变化，微电网中的分布式电源输出的有功功率和无功功率分别变为7 kW、3.5 kvar。此时，虚拟同步发电机还没有投入运行，微电网输出的频率偏差和电压偏差在0.1s和0.2 s时存在很大的波动，如图12（a）和图12（b）所示。

表1仿真系统的参数

图12微电网输出的频率与电压

加入虚拟同步发电机之后，微电网输出的频率和电压如图13（a）和图13（b）所示。

图13加入虚拟同步发电机之后的微电网输出的频率与电压

通过图13（a）和图13（b）中的仿真曲线可以看出，在0.1 s到0.25 s之间，负荷变化（或者分布式电源出力的波动）时，微电网中分布式电源的频率和电网频率都为50 Hz（fMG=fg=50Hz），微电网中分布式电源的电压和电网电压都为380 V（VMG=Vg=380V），电压相角偏差Δθ=θ1-θ2≈0如图14所示。

图14电压相角波形

根据以上分析，加入虚拟同步发电机之后，含分布式电源的微电网在负荷变化时能够保持电压和频率稳定，电能质量能够达到相应标准[17]。

5 结论

（1）本文基于虚拟同步发电机控制技术，提出了一种具有功率控制和电压调整的VSG微电网控制方法，通过在并网时采集主网的频率与电压幅值，设计出了适合于含分布式电源的微网并网逆变器控制策略，并通过Matlab/simulink软件对所提VSG控制策略的可行性和有效性进行了验证。

（2）仿真结果表明，采用该方法的虚拟同步发电机控制在微电网中运行稳定。当微电网并网运行后，本文所提出的微电网电压控制方法可以在较短的调整时间内迅速稳定电压，本文所提出的频率稳定控制方法可以使得电网频率在并网后迅速恢复。

（3）本文研究的侧重点为微电网并网对微电网本身稳定性的影响，而没有涉及微电网离网对主网稳定性的影响，该项内容的研究将在以后的工作中继续开展。

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Controlstrategy form icrogrid based on virtualsynchronousgeneratorLIJinying(Le K im Anh)1，AIXin2，DENG Yuhui3

(1.DepartmentofElectricaland Electronic Engineering,Tuy Hoa IndustrialCollege，Tuy Hoa，56000，VietNam；2.State Key Laboratory ofAlternate ElectricalPower System with Renewable Energy Sources,North China Electric Power University,Changping,Beijing 102206,China；3.Departmentof Electricaland Electronic Engineering，Quang Ninh University of Industrial，Quang Ninh，20000，VietNam)

Aiming at the problem of the frequency and voltage instability of themicro-grid caused by the intermittence of distributed generations,by establishing a mathematical model of the virtual synchronous generator(VSG)control system,designs feedback controller based on frequency control, voltage controland power control,gives corresponding controlmethods.By theoretically analyzing the frequency and voltage characteristic of the distribution generations(DGs),and their effects on frequency and voltage stability of the micro-grid,puts forward the effective control strategy of restraining the power fluctuation of DGs,improving the power quality of themicro grid.The simulationresultshows thatVSG can stably control themicro-grid’s frequency and voltage,and has fine stability state characteristic.

virtual synchronous generator;micro grid;frequency stability;voltage stability;control strategy

TM727

A

1672-3643（2017）02-0007-08

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.02.002

2017-01-11

Le Kim Anh（黎金英）：（1979），男，工学博士，主要研究方向为分布式电源，电能质量。

有效访问地址：http：//dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.02.002