大扰动下改进的VSG自适应参数控制策略

吕 聪，何 山,2*，王维庆,2，陈 伟，孔令清，尹昱程

(1.新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐，830047；2.新疆大学 可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心，新疆 乌鲁木齐，830047)

分布式新能源通过电力电子器件并网，电力电子器件不具备惯性、阻尼，使系统整体的惯性、阻尼降低，进而影响系统的稳定性.为解决此问题，研究人员提出虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, 简称VSG)，将VSG的转动惯量和阻尼系数引入逆变器，通过调节这些参数，为系统提供惯性和阻尼.

已有的VSG模型，多为分析小扰动下VSG的稳定性.文献[8]提出了小扰动下VSG的转动惯量自适应控制策略，以保证VSG的平衡性.文献[9]在此基础上考虑阻尼系数的选择，提出基于VSG的转动惯量及阻尼系数的协同自适应控制策略.文献[10]提出电压不平衡下VSG的分序矢量控制方法，独立控制正、负序分量，能快速抑制负序电流和功率振荡.文献[11]提出电网发生对称故障时，通过有功指令调整功角大小，将功角控制在一定范围内.小扰动下VSG的控制策略应用在大扰动下可能增加系统谐波，影响电能质量，因此有必要研究大扰动下VSG的暂态稳定性及控制策略.

该文在大扰动下VSG转动惯量及阻尼系数自适应控制策略的基础上，加入控制变量

K

，提出大扰动下改进的VSG自适应参数控制策略.该策略在出现大干扰后检测VSG功角控制反馈，自适应切换正、负反馈和选取转动惯量、阻尼系数.该策略不仅能有效抑制功率、频率振荡，还能避免VSG失去平衡.在Matlab/Simulink环境搭建系统仿真模型，在三相短路故障和两相接地短路故障下验证所提策略的有效性.

1 VSG的基本控制策略

图1为VSG并网后的主电路拓扑结构和相关控制策略示意图，其中：

U

为与分布式电源等效的直流电源；

U

,

I

分别为VSG的输出电压、电流；

U

,

I

分别为并网侧的电压、电流；

L

,

R

,

C

分别为滤波电感、滤波电感内阻、滤波电容；

L

,

R

分别为传输线路的电感、电阻.VSG经

LC

滤波电路和传输线连接至电网.VSG控制策略主要包括有功-频率控制、无功-电压控制、电压电流双闭环控制、SVPWM调制.

图1 VSG并网后的主电路拓扑结构和相关控制策略示意图

VSG的有功-频率控制通过如下摇摆方程实现

(1)

其中：

J

为虚拟转动惯量；

D

为虚拟阻尼系数；

P

,

P

分别为VSG的参考有功功率、输出有功功率；

ω

,

ω

分别为电网同步角速度、虚拟转子角速度；

δ

为并网侧电压与VSG输出电压之间的夹角，即VSG的功角.

无功-电压控制通过模拟传统同步发电机的调压特性实现，其控制方程为

(2)

类比传统同步发电机的电磁关系，可得VSG的电势、输出有功功率、输出无功功率计算公式分别为

(3)

(4)

(5)

电压电流双闭环控制起稳压和提高动态稳定性的作用.电压外环、电流内环的控制方程分别为

(6)

(7)

其中：

U

o,

U

o分别为VSG输出电压的

d

，

q

分量；

I

o,

I

o分别为VSG输出电流的

d

，

q

分量；

U

ref,

U

ref分别为VSG输出的内电势

d

，

q

分量；

K

,

K

为电压外环PI控制参数；

K

,

K

为电流内环PI控制参数.

根据式(6)，(7)得到的电压电流双闭环控制框图如图2所示.

图2 电压电流双闭环控制框图

VSG通过模拟传统同步发电机的惯性和阻尼特性、有功-频率控制、无功-电压控制，形成VSG并网控制策略，以抑制功率波动及调节系统频率.

2 大扰动下VSG的暂态稳定性分析

图3为VSG并网后的等效电路图.以VSG线路上

H

点发生三相短路故障为例.VSG的功角特性曲线如图4所示，其中

A

，

F

均为VSG运行时的平衡点.

图3 VSG并网后的等效电路

图4 VSG功角特性曲线

故障发生时，电网电压的幅值会降低，需要在VSG控制中加入限幅环节，防止过大的电流损害VSG中的电力电子器件.限幅环节是否起作用，取决于电压外环的输出电流是否超过VSG允许的最大输出电流

I

.若未超过，则限幅环节不起作用，电流在内环的参考值不变；若超过，则限幅环节起作用，改变电流在内环的参考值，避免过流导致电力电子器件损坏.限幅环节的控制方程为

(8)

(9)

其中：

I

为VSG输出电流的限幅值.故障时VSG不能提供短路电流，限幅作用下等效为一个电流源，输出电流为

I

.功角关系为

(10)

限幅作用下，VSG的运行点从图4电流非饱和曲线Ⅰ切换到电流饱和曲线Ⅱ.

VSG正常运行时稳定在图4的

A

点，当

A

点发生三相短路故障时，功角特性曲线由Ⅰ变为Ⅱ.VSG的运行点由

A

点移至

B

，VSG在

B

点的输出功率

P

小于参考功率

P

,由式(1)可知d

ω

/d

t

>0,于是转速

ω

增加、功角

δ

增大、VSG的运行点则由

B

点移至

C

.假定

C

点故障消失，同理可知VSG的运行点沿着曲线Ⅱ从

C

点移至

D

，于是转速

ω

减小，但

ω

仍大于同步转速

ω

,功角

δ

继续增加，运行点继续由

D

点移至

E

.若转速

ω

在VSG运行到

E

点之前恢复至同步转速

ω

,则VSG恢复稳定运行；反之，转速

ω

会继续增加，将不会恢复至同步转速

ω

,于是功角

δ

持续增大、VSG失去平衡.

3 改进的VSG自适应参数控制策略

VSG与传统同步发电机相比，其参数可控、结构灵活.为避免运行状态越过

E

点后出现失衡，该文提出一种改进的VSG自适应参数控制策略.基于图4中VSG运行状态是否越过

E

点，设定两种工作模式：一是VSG运行状态未越过

E

点，保持稳定(负反馈模式)；二是VSG运行状态越过

E

点，失去平衡(正反馈模式).将控制变量

K

插入有功功率环路的正向路径后，负反馈模式下

K

=1,正反馈模式下

K

=-1.VSG的功角特性可保证工作在负反馈模式下，只要故障后存在平衡点，就能保持VSG的暂态稳定性，避免运行状态越过

E

点后出现失衡.故障下VSG的工作特性如表1所示，其中

ΔP

=

P

-

P

,

Δω

=

ω

-

ω

.

表1 故障下VSG的工作特性

电流未饱和时，其功角特性为图4中的曲线Ⅰ，且有

J

=

J

,

K

=1；故障发生后，VSG的运行状态从电流未饱和曲线Ⅰ切换至电流饱和曲线Ⅱ，运行于

BC

段，此时选择合适的

J

,可抑制转速

ω

的增加，且有

K

=1；故障切除后，运行于

CD

，

DE

段，此时选择合适的

J

,可使转速

ω

减小，且有

K

=1.若VSG运行越过

E

点，此时

K

=-1,工作模式变为负反馈，d

ω

/d

t

<0,VSG的转速

ω

开始变小，此时选择合适的

J

,可使转速

ω

减小，

ω

与

ω

的差距缩小使VSG在失衡状态下工作.对阻尼系数

D

来说，电流未饱和时，取

D

=

D

；故障发生后的

BC

段与故障切除后的

CD

，

DE

段，以及运行状态越过

E

点后，均取

D

=

D

,这样能减少暂态过程中频率的超调量，以提高频率的稳定性.

J

，

D

控制策略如下

(11)

(12)

图5为改进的VSG自适应参数控制框图，其中虚线框的参数为自适应控制的参数.改进的VSG自适应算法流程如图6所示.

图5 改进的VSG自适应参数控制框图

图6 改进的VSG自适应算法流程

4 仿真分析

在Matlab/Simulink环境下，按图1搭建单机VSG并网后的系统模型，验证所提控制策略的有效性.表2列出了仿真关键参数.

表2 仿真关键参数

4.1 三相短路故障下VSG的仿真分析

VSG并网后的0.3 s前系统正常运行；0.3 s时线路上

H

点发生三相短路故障，VSG的控制策略开始作用；0.31 s时故障被切除.图7，8分别为3种控制策略下VSG输出的电压频率、有功功率比较.由图7可知，3种控制策略的VSG输出的电压频率均有不同程度的超调量；与其他两种控制策略相比，改进的VSG自适应参数控制策略的电压频率的超调量偏差最小，故障切除后电压频率的振荡幅度最小、衰减速度最快，能快速恢复至稳定运行状态.由图8可知，改进的VSG自适应参数控制策略的VSG输出的有功功率超调量偏差最小，故障切除后有功功率的振荡幅度最小、衰减速度最快，能快速恢复至稳定运行状态.

图7 三相短路故障下3种控制策略的VSG输出的电压频率比较

图8 三相短路故障下3种控制策略的VSG输出的有功功率比较

三相短路故障下改进的VSG自适应参数控制策略的参数变化情况如图9所示.由图9可知：VSG正常运行时，

J

，

D

，

K

均为

J

，

D

，1，可满足正常工作时的动态响应要求；线路上

H

点发生三相短路故障时及故障被切除后，

J

，

D

，

K

在满足触发条件下均能自适应调整，减少了功率及频率的超调量、抑制了振荡.

(a)转动惯量；(b)阻尼系数；(c)自适应参数.图9 三相短路故障下改进的VSG自适应参数控制策略的参数变化情况

4.2 两相短路接地故障下VSG的仿真分析

0.3 s时线路上

H

点发生两相短路接地故障，0.31 s故障被切除.3种控制策略下VSG输出的电压频率和有功功率比较分别如图10， 11所示.由图10可知，相比其他两种控制策略，改进的VSG自适应参数控制策略的VSG输出的电压频率的超调量最小，故障切除后电压频率的振荡幅度最小、衰减速度最快，可见，改进策略提高了VSG的暂态稳定性.由图11可知，改进的VSG自适应参数控制策略的VSG输出的有功功率超调量偏差最小，故障切除后有功功率的振荡幅度最小、衰减速度最快，可见，改进策略提高了VSG的暂态稳定性.

图10 两相短路接地故障下3种控制策略的VSG输出的电压频率比较

图11 两相短路接地故障下3种控制策略的VSG输出的有功功率比较

图12为两相短路故障下改进的VSG自适应参数控制策略的参数变化情况.由图12可知：VSG正常运行时

J

，

D

，

K

均为

J

，

D

，1，线路上

H

点发生两相短路接地故障时及故障切除后，

J

，

D

，

K

均能在满足触发条件下自适应调整，减少了功率及频率的超调量、抑制了振荡.

(a)转动惯量；(b)阻尼系数；(c)自适应参数.图12 两相短路接地故障下改进的VSG自适应参数控制策略的参数变化情况

5 结束语

该文通过研究大扰动下VSG功角特性及反馈模式，提出大扰动下改进的VSG自适应参数控制策略.在Matlab/Simulink环境下，搭建单机VSG并网后的系统模型，验证所提控制策略的有效性.仿真结果表明：不同故障下，相对于

J

，

D

自适应参数控制策略和

J

，

D

定参数控制策略，改进的VSG自适应参数控制策略减少了频率、功率的超调量，抑制了振荡，避免了VSG的失衡，提高了暂态稳定性.