电压对称跌落下VSG自适应无功补偿控制策略

党克， 衣鹏博， 田勇， 刘子源， 刘闯

(东北电力大学电气工程学院, 吉林 吉林 132012)

0 引 言

伴随着社会的进步，以太阳能为代表的新能源发电得到迅速发展[1]。但需要经过电力电子逆变器将其接入电网，和火电机组相比调频调压能力大幅度下降[2]。为了实现新能源发电友好并网，有学者提出了虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)技术[3]，通过VSG技术，分布式电源具备频率调节和电压调节能力，并且能够为电网提供一定的阻尼和惯性[4]。

本文提出具有自适应无功补偿的VSG控制策略。给出故障期间VSG电压参考指令的推导，实现无功补偿和限制故障电流功能。考虑到电压故障结束后切换电压指令可能导致暂态电流冲击，通过重赋VSG有功、无功功率参考值，实现无扰切换。最后通过MATLAB/Simulink仿真证明有效性。

1 VSG基本原理

基于VSG的逆变器拓扑结构如图1所示。图1中：L、C和Lg分别为滤波电感、电容和线路电感；ea、eb和ec为逆变器输出三相电压；ua、ub和uc为三相电网电压；ia、ib和ic为逆变器输出三相电流；UDC为直流侧电压；UPCC为并网公共点处的电压。

图1 VSG电路拓扑结构

VSG控制算法由有功-频率控制和无功-电压控制两个环节组成，如图2所示。图2中：Pe为电磁功率。为了模拟同步发电机的一次调频特性，其表达式如下：

图2 VSG技术原理

P=Pref+Kf(ω0-ω)

(1)

式中：Kf为下垂系数；P和Pref分别为有功功率的实际值和参考值；ω和ω0分别为电气角速度和电网同步角速度。

VSG根据同步发电机二阶模型来模拟同步发电机的惯性和阻尼，其转子运动方程为：

(2)

式中：J和D分别为转动惯量和阻尼系数；Ω为机械角速度；Tm和Te分别为机械转矩和电磁转矩；θ为功角。

无功-电压控制模拟无功功率下垂控制特性，其表达式如下：

(3)

式中：Kq为电压下垂控制系数;K为积分系数;Um和Uref分别为并网逆变器输出电压幅值的实际值与参考值；E为VSG输出电动势；Qref和Q分别为无功功率参考值和实际值。

(4)

综上所述：通过求得电压的功角θ、输出电压幅值E和式(4)生成三相电压参考值ea、eb、ec，然后通过电压电流双环控制得到控制信号。

2 对称故障下VSG控制策略

2.1 VSG电压参考指令推导

在电压对称跌落期间逆变器的最主要任务是限制输出电流幅值。传统的低电压控制策略往往通过重新赋值电流参考指令来控制逆变器输出电流。根据国家标准在电压故障期间逆变器输出无功电流应满足[5]：

(5)

式中：UN为电网额定电压；IN为逆变器额定电流；UN和IN均为标幺值。逆变器输出的电流应不超过额定电流的1.1倍[6]，故有功电流为:

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(6)

若上述电流参考值直接强加到VSG中会破坏电压控制型逆变器的电压源属性，因此本文根据式(5)和式(6)及图3电压环可推导出使VSG在电压故障期间按要求输出无功电流的q轴电压参考指令，具体如下。

图3 电压电流双环控制结构

(7)

同理可推出d轴电压参考指令：

(8)

式中：Eqref和Edref为电压故障期间VSG的电压参考指令在旋转坐标系下q轴和d轴分量；Uq为电网电压故障期间电网电压的q轴分量；Ud为电网电压故障期间电网电压的d轴分量；Kp为比例控制系数。

2.2 状态跟踪设置

由瞬间功率理论可知功率计算方法为：

(9)

(10)

式中：Pref和Qref分别为故障状态下的有功功率和无功功率参考值；Idref和Iqref为电压故障期间输出电流。

本文所提控制策略如图4所示。当电网电压跌落时，图4的两个开关进行切换，逆变器按电压跌落深度输出相应的无功电流，同时VSG的有功、无功参考值变为Pref和Qref进行状态跟踪。电压恢复后，两个开关再次进行切换。图4中：P*和Q*为额定有功、无功功率。

图4 本文控制策略

3 仿真验证

3.1 仿真工况

利用MATLAB/Simulink进行仿真验证。主要参数如表1所示。

表1 仿真主要参数

3.2 状态跟踪验证

为了验证可以控制电流幅值在0.2 s时施加故障。

从图5(a)可以看到，无论是在电压故障开始还是结束，基于传统VSG控制的逆变器输出电流都会有较明显的暂态波动。

图5(b)为在本文所提控制策略下但不含状态跟踪的电流波形图。故障发生后并网电流几乎无暂态波动，0.4 s时故障排出后并网电流经过较大暂态冲击才恢复如初。

从图5(c)可知，含状态跟踪避免了切换后的电流冲击。

图5 三相电流对比

3.3 自适应无功补偿验证

为了验证能够根据电压跌落深度进行无功补偿，在0.2 s、0.4 s时分别对电压进行跌落。图6(a)为逆变器输出有功、无功功率曲线，图6(b)为U与UPCC对比(标幺值)。由此可见，逆变器输出无功功率随着电压跌落而增加，有功功率随着电压跌落而减少，而UPCC受无功功率支撑始终大于U。

图6 自适应无功补偿

4 结束语

(1) 该电压参考指令既能保证逆变器在电压故障期间输出电流幅值符合标准又能保留VSG的电压源特性，同时根据电压跌落深度逆变器输出相应的无功电流，实现无功功率的自适应补偿。

(2) 电压故障结束时，电压参考值会由本文推导的电压参考指令切换成VSG算法生成的电压参考指令，二者存在差异会产生较大的暂态电流冲击。为保证无扰切换，重新给定电压故障期间的VSG有功、无功功率参考值。