光伏并网逆变器的虚拟同步发电机控制策略

胡 平，任俊道

（1.陕西工业职业技术学院 电气工程学院，咸阳 712000；2.长安大学 电子与控制工程学院，西安 710061）

如今，随着新能源的不断发展，分布式电源发电正在逐步增加，新能源发电的核心部分即为逆变器，逆变器内部的主要结构是以电力电子器件为主导的开关，其反复的通断将给电网带来谐波干扰，随着大量的光伏发电和风力发电并入到大电网，意味着许多同步发电机将被电力电子器件所取代。分布式电源的频率、幅值与电网相比存在一定差异，随着越来越多的以电力电子器件为核心的逆变器并入到电网，由于其频率高，缺少传统发电机所具有的惯性和阻尼的特点，因而容易受到频率波动的影响，其势必给电网带来威胁。

基于上述问题，若使得逆变器的输出具有同步发电机所具有特性必然能够提高含并网逆变器的分布式发电系统和微电网的运行性能。文献[1]提出了具有同步机内部机理和外部特性的逆变器控制技术，从而为智能微电网提供了一个友好的接口机制，文献[2]提出了虚拟同步发电机的储能系统的设计，并对系统的参数的设计整定提出了一套完整的算法，文献[3]提出了自动调压器的概念，其思想是简化系统无功和电压的下垂特性关系。

本文从并网逆变器和同步发电机等效对应的角度出发，研究了下垂控制以及引入转动惯量的虚拟同步发电机控制策略，通过对比验证，总结得出虚拟转动惯量在逆变器并网控制中所提供的惯性作用。最后通过仿真验证了控制策略在电网电压/频率调节中的有效性和可行性。

1 下垂控制

下垂控制利用分布式电源的接口输出特性进行控制，即系统的有功输出与频率呈负相关关系，系统的无功输出与电压呈负相关关系。该控制方法由于具有不需要分布式电源之间通信联系就能实施控制的潜力，所以一般用于对等控制策略中的分布式电源接口逆变器的控制。控制原理方程为

控制原理如图1所示。

图1 下垂控制特性原理Fig.1 Principle of droop control characteristics

下垂控制的并网结构如图2所示，L，C分别为滤波电容和电感，通过采集PCC点的电流电压，送入功率计算模块，然后分别进行f-P和U-Q下垂特性运算合成参考电压然后送入PWM控制器当中[4]。

图2 下垂控制策略Fig.2 Droop control strategy

2 虚拟同步发电机（VSG）控制

2.1 VSG控制原理

本文将同步发电机的特性方程引入到逆变器的控制算法流程中，系统设计参照同步发电机的主要特性而成，从而实现整个系统的同步发电机特性[5]。VSG由系统主拓扑电路和控制电路两部分组成，原理如图3所示。主电路采用电压型逆变器，Udc为主流电源，L为滤波电容，C为滤波电感，Lg为逆变侧与电网的连接电感。

图3 虚拟同步发电机控制策略Fig.3 VSG control strategy

2.2 虚拟同步发电机数学模型

同步发电机结构复杂，不同阶数下的模型有着很大的差异，本文为研究方便，采用二阶模型，其结构如图4所示。

图4 同步发电机的二阶模型Fig.4 Second-order model of synchronous generator

同步发电机二阶模型的定子电压方程以及转子机械方程如式（3）、式（4）所示[6]：

定子方程：

转子机械方程：

在系统设计中，取极对数p=1，则上式转变为

式中：E0为励磁电动势；U为电枢端电压；I为电枢电流；Ra为电枢电阻；Xs为同步电抗；J为转动惯量；Ω为机械角速度；MT为机械转矩；Me为电磁转矩。

2.3 虚拟同步发电机控制器设计

控制电路包括虚拟同步机算法单元和控制器两部分，其中控制器又包括有功-频率控制器和无功-电压控制器[7]。

2.3.1 有功/频率控制器的设计

图5中，fref代表VSG系统额定频率；f为系统运行时的实际功率；Pn代表VSG额定频率下输出的有功值，Pt即为得到的有功输出值。

图5 有功/频率控制器Fig.5 P/f controller

2.3.2 无功/电压控制器的设计

图6中，Qref代表VSG额定无功值；Q为系统实际实际输出的无功功率；K为比例系数。将所得的电压偏离值与额定电压幅值Un相加得到参考电压值Uref，然后通过采集的逆变器交流侧电压幅值与参考电压值作差，得到的结果送入PI控制器，得到VSG调节需要的参数Emag。

图6 无功/电压控制器Fig.6 Q/V controller

3 仿真结果分析

对于2种控制策略，在相同条件下，进行负载突增突降实验仿真。1号负载10 kW始终投入，在0.2 s时投入2号负载5 kW，在0.4 s时切除，观察各个参数变化如图7～图11所示。

图7 两种控制策略下系统频率变化Fig.7 System frequency change under two control strategies

图8 两种控制策略下系统有功功率变化Fig.8 System active power change under two control strategies

图9 两种控制策略下系统无功功率变化Fig.9 System reactive power change under two control strategies

图10 两种控制策略下系统电流变化Fig.10 System current change under two control strategies

由实验结果，图7表示了在负荷突增突降时，系统的频率变化，通过对比可知，在下垂控制中，负荷变化导致的频率变化是瞬时的，没有缓冲过程，这在大量的分布式电源并入电网中时，会给电网带来较大的威胁，而采用VSG技术则体现了转动惯量在负荷波动时所起到的作用；图8则体现了系统有功的变化规律，可见两种控制策略都能够起到有功-频率的调节作用，但引入虚拟转动惯量的控制策略中，有功功率的变化更为平缓，体现了转动惯量的缓冲作用。图10、图11则为系统的电流电压变化曲线，电流在负载变化时均有响应，但在下垂控制策略下，在负载突增的瞬间，电流存在畸变，而采用VSG控制策略电流的变化则较为平稳；而电压在负载变化时曲线均平稳，说明了两种控制策略的可行性。

4 结语

通过实验结果可知，下垂控制以及虚拟同步发电机控制技术都能够起到随着负荷的变化调压调频的作用，但相比于下垂控制对于频率调节的瞬时性，虚拟同步发电机技术则更体现了它的惯性作用和阻尼性，使得频率能够平稳过渡，从而保障了电网的安全以及稳定运行。