虚拟同步发电机的无缝切换控制技术

白 薇,刘立群,张聪明,马立群

(太原科技大学电子信息工程学院，山西 太原 030024)

虚拟同步发电机的无缝切换控制技术

白 薇,刘立群,张聪明,马立群

(太原科技大学电子信息工程学院，山西 太原 030024)

对微电网中并网逆变器的虚拟同步发电机(VSG)控制策略进行了研究。首先，搭建了VSG控制的功频调节部分和励磁调节部分。VSG通过模拟同步发电机的惯性和阻尼特性，实现了并网和离网的独立运行，但是在并离网切换时容易出现电流和电压冲击。为实现并离网的平滑切换，提出了一种离网模式下恒压/恒频控制、并网模式下VSG控制的控制策略。在离网运行时，恒压/恒频控制模式为负载提供电压和频率的支撑；在并网运行时，由VSG控制模式提供。同时，详细地分析了调差系数、阻尼系数和转动惯量对功频特性的影响。最后，利用Matlab/Simulink搭建仿真模型，验证该控制策略的有效性。仿真结果表明：该控制策略解决了微电网在不同模式之间的无缝切换问题；与传统的切换过程相比，减小了切换过程中的电压和电流冲击，提高了微电网在运行过程中的稳定性，可以应用于多微源并联的微电网。

微电网； 并网逆变器； 无缝切换； 虚拟同步发电机； 调频调压； 功频特性； 预同步； 励磁特性

0 引言

近年来，随着能源短缺、全球变暖和化石能源污染等问题的日益严重，可再生能源的利用已成为全球研究热点。分布式发电以其灵活性、清洁性和普遍性的特点，已成为颇具前景的微电源之一。但是当其大规模接入电网时，也带来了许多新的问题[1-2]，如不易控制、随机性波动性较大等，进而会威胁电力系统的安全稳定运行。为了解决上述问题，众多学者对逆变器的控制策略进行了深入的研究，并提出了虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)控制方法[3-5]。该控制方法具有同步发电机的外特性，为稳定性较差的微电网提供了必要的惯性和阻尼作用[6-7]。

本文研究了虚拟同步发电机控制技术的数学模型、有功频率和无功电压的控制策略。针对虚拟同步发电机的并离网切换问题，提出了一种新的逆变器控制方法，避免了切换过程中的电流冲击。通过搭建Matlab仿真模型，验证了所提控制策略的正确性。该研究为微电网的运行控制提供了一条新的途径。

1 VSG控制

1.1 VSG控制逆变器主电路

VSG控制逆变器主电路采用了同步发电机的二阶方程：

(1)

分布式电源一般经过逆变器接到微电网中，本文设计的VSG控制的逆变器主电路结构如图1所示。逆变器采用三相电压源型逆变器，开关器件采用绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)，滤波电路采用电感电容滤波。考虑到当并网系统线路较短时，可忽略线路的影响，故逆变器经过滤波电路直接接负载或电网。

图1 VSG控制逆变器主电路图

1.2 有功频率控制策略

VSG的功频调节电路由原动机调节加转子调节构成，如图2所示。

图2 功频调节电路图

原动机的方程为：

(ω0-ω)Kw+Pref=Pm

(2)

同步发电机的转子运动方程为：

(3)

(4)

式中：ω0为角频率的参考值；ω为公共母线的角频率；Kw为有功功率的下垂系数；Pref为有功功率的输入设定值；Pm为逆变电源的输入功率；P为逆变电源的输出功率；D为阻尼系数；J为转动惯量；ωN为额定转子角速度。

由式(2)～式(4)可得有功频率调节控制框图，如图3所示。

图3 有功频率调节控制框图

由上述分析可见，VSG的功频调节关系满足下垂特性。当负荷变化导致系统频率改变时，VSG自动调节输入功率，从而保证系统的有功和频率稳定。

1.3 无功电压控制策略

无功电压控制是同步发电机的主要部分，它可以使系统电压保持在一定的水平，并确保多个发电机并联的无功功率分配均衡，从而使系统稳定运行。

发电机机端电压幅值Um与参考电压Uref相比较后得到电压偏差，经比例积分(proportion integration,PI)控制器调节后供给发电机励磁绕组。Um在并网运行时与系统的母线电压一致。Uref是一个与无功功率Q有关的量，随着Q的增加而减小。

Uref=UN+Kv(Qref-Q)

(5)

式中：Qref为无功功率的输出设定值；Kv为无功功率的下垂系数；UN为逆变电源端电压参考值。

PI调节用来保证输出电压稳定。由式(5)得到励磁调节控制框图，如图4所示。

图4 励磁调节控制框图

由图4可见，VSG的无功电压满足下垂特性。VSG的无功电压控制通过改变Kv调节下垂特性，并参与电网的一次调压，以提供必要的无功支撑。

2 微电网无缝切换的实现

并网和离网是微电网的两种运行模式。为研究微电网的运行特点，需研究逆变器的并网、离网运行方式，以及这两种运行方式的无缝切换技术。当微电网处于并网运行时，大电网给系统的微源提供电压和频率支撑，逆变器可以采用恒功率控制；当转入离网运行模式时，则需要微源提供电压和频率的支撑，逆变器可以采用恒压/恒频控制。并网逆变器需满足这两种模式的切换要求。但在切换时，易出现电流或电压冲击。针对这一问题，文献[8]～文献[10]提出了多种解决方法。

恒压/恒频控制过程中缺乏惯性和阻尼特性，无法实现功率阶跃以及并离网的无缝切换切换。由前文分析可知，VSG模拟了同步发电机的惯性和阻尼特性，可以实现并网、离网的独立运行。所以，当大电网断开后，可以实现并离网的平滑切换。本文研究的是离网模式下的恒压/恒频控制，以及并网模式下VSG控制。

2.1 离网向并网切换

当微电网由离网向并网切换时，VSG输出的电压频率与电网的电压频率有一定的偏差。在不合适的时候将微电网投入到电网中，可能会导致电网产生很大的冲击电流，使微电网切换失败。VSG离并网模型如图5所示。

图5 VSG离并网模型示意图

如果使电网电压和VSG输出电压相同，就可以实现离网向并网的无缝切换。以下将讨论离并网的切换过程。

以a相为例，两电压的瞬时值差为：

(6)

(7)

(8)

由式(6)～式(8)可知，离网运行的微电网和大电网电压存在幅值和相位的偏差，最大的差值为2U。故在电压大小和相位不同步的情况下，将微电网投入到电网中，会产生较大的并网冲击电流，使得切换失败；即使切换成功，也会造成电压波形畸变，降低电能质量。因此，需选择一种稳定的切换方式。本文在文献[11]的基础上，提出了一种更好的切换策略，即预同步控制。

虚拟同步机并网前，需要将预同步单元与电网同步。由式(7)可知：当VSG输出的电压U和电网电压U0的幅值相位都相等时，得PS=0。由此可得预同步控制框图，如图6所示。并网前，闭合开关并启动预同步；并网后，关闭预同步并断开开关。由此，实现了并网运行。

图6 预同步控制框图

2.2 并网向离网切换

微电网由并网向离网切换时，为保证不对负荷和电网产生冲击电流，需要使逆变器和电网之间不存在功率交换，这样线路中就不会有电流通过了。由上文分析可知，虚拟同步机模拟了同步发电机的特性，可以将其等效成一个独立的电压源。当电网切断后，虚拟同步机仍然能保持并网时的状态，并提供电压和相位支撑，使微电网在并离网切换时不会出现明显的暂态过程，实现自然的平滑切换。由于VSG具有一次、二次调频、调压的特点，它可以不断地修正有功功率和无功功率，直到新发电机的电压和相位平衡，满足了微电网内有功、无功的交换平衡。

3 仿真结果和分析

为验证本文策略的正确性，通过Matlab/Simulink搭建了虚拟同步机控制的微电网仿真模型。Matlab仿真模型的主要参数为：直流侧电压Udc=800 V，滤波电容C=50 μF，滤波电感L=0.002 H，电阻R=0.01 Ω，ω0=314 rad/s，基准电压U=311 V，Kw=300，阻尼系数D=4，转动惯量J=0.1，Pref=20 kW。

3.1 离网过程分析

在离网模型运行时，逆变器采用恒压/恒频控制。当闭合开关，给虚拟同步机加入阻感负载时，电压和频率保持不变，运行于恒压/恒频模式。离网运行时，电压和电流波形如图7所示。由图7可知，离网过程中，电压和电流没有明显的波动。

图7 离网电压和电流波形

3.2 离并网切换

在离并网切换时，电压波形对比如图8所示。由图8可知，经过缓慢调节使得VSG输出的电压幅值相位与大电网的电压相差足够小，加入预同步约0.2 s后，可以快速地实现微电网和电网电压的同步，完成离并网的切换。

图8 电压波形对比图(离并网)

离并网切换时，电流波形对比如图9所示。传统的离并网切换过程容易产生很大的冲击电流，在0.8 s并网时会有谐波产生，如图9(a)所示。其在并网瞬间产生的冲击电流是正常运行时的2.8倍，会对电网以及逆变器造成较大的危害，严重影响了负荷的正常工作。本文使用预同步控制实现了电流的平滑切换，改进后的电流波形如图9(b)所示。该方法减少了冲击电流，并且在切换过程中的电流变化量小于5%，改善了切换效果，使切换顺利进行。本文提出的改进策略，切换前VSG输出电压已与电网电压保持同步，且切换过程中没有出现电流冲击，因此能迅速跟踪功率指令。

图9 电流波形对比图(离并网)

3.3 并网过程分析

在并网模式运行时，逆变器采用VSG控制。当微电网有功、无功阶跃时，VSG具有良好的动态性能。突加有功功率时，VSG的频率会突增。这是因为它模拟了同步发电机，通过改变转速功角，向电网发送有功功率。

不同参数下的有功功率阶跃响应波形如图10所示。

图10 有功功率阶跃响应波形

由图10可知，调差系数Kw越大，系统超调量越小，调节时间越短；阻尼系数D越大，系统超调量越小，调节时间越短；转动惯量J越小，系统超调量越小，调节时间越短。故D越大，J越小，Kw越小，系统越稳定。

3.4 并离网切换

并离网切换时，为保证微电网的离网稳定运行，VSG参与了微电网的电压和频率调节，电压波形对比如图11所示。由图11可以看出，VSG输出的电压幅值相位与大电网的电压差逐渐变大。在并网转离网瞬间，电流没有突变，说明切换成功。

图11 电压波形对比图(并离网)

4 结束语

本文基于微电网的虚拟同步发电机技术，研究了并离网切换的控制策略，解决了微电网在不同模式之间的无缝切换问题。所研究的并网逆变器模拟了同步发电机的惯性和阻尼特性，提高了微电网运行的稳定性。针对微电网运行特性，提出了一种并离网之间的切换方法，实现了频压控制和VSG控制之间的切换。在离网运行时，电压频率控制模式为负载提供电压和频率的支撑；在并网运行时，改由VSG控制模式提供，避免了切换过程中的电压和电流冲击。由于每个逆变器都可以独立地运行，并且控制简单、易实现，通过搭建Matlab/Simulink仿真模型，验证了所提控制策略的有效性。该控制策略可推广到多台微电网的并联运行中，具有一定的实用价值。

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SeamlessSwitchingControlTechnologyofVirtualSynchronousGenerator

BAI Wei，LIU Liqun，ZHANG Congming，MA Liqun

(School of Electronic Information Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024，China)

The strategy of virtual synchronous generator(VSG) control for grid connected inverters in microgrid is studied.Firstly,the power frequency regulation section and the excitation regulation section of VSG control have been built.VSG simulates the inertia and damping characteristics of synchronous generator,which can realize the independent operation of grid connected and grid disconnected.But,during switching process of grid connected and disconnected,voltage and current shocks may occur.In order to realize smooth switching,a control strategy of constant voltage and constant frequency control in the off-network mode and VSG control in grid connected mode is proposed.In grid disconnected operation,constant frequency and constant voltage control provides the voltage and frequency support for the load.In grid connected operation,these are supplied by the VSG control mode.Then,the influences of the adjustment coefficient,the damping coefficient and the moment of inertia on the power frequency characteristics are analyzed.Finally,the effectiveness of the proposed control strategy is verified by a simulation model based on Matlab/Simulink.The simulation results show that the control strategy solves the seamless switching between different operation modes of microgrid;compared with the traditional switching process,the voltage and current shocks in switching process are reduced and the stability of the micro grid in the operation process is improved; it can be used in micro grid which consists of multiple micro sources in parallel.

Micro grid; Grid connected inverter; Seamless switching; Virtual synchronous generator; Frequency modulation and voltage regulation; Power frequency characteristic; Presynchronization; Excitation characteristic

修改稿收到日期:2017-07-08

山西省应用基础研究基金资助项目(201601D011058)、山西省重点实验室开放课题基金资助项目(MEI201603)

白薇(1991—)，女，在读硕士研究生，主要从事现代电力电子与新能源发电技术的研究，E-mail:baiwakk@163.com；刘立群(通信作者)，男，博士，教授，主要从事新能源发电系统控制、新能源混合供电系统结构化、智能电网等方向的研究，

E-mail:llqd2004@163.com

TH-39;TP24

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712004