基于VSG的大规模储能系统功率变换器并网控制策略与稳定性研究*

陈佳桥 陈旭海 陈 恺 文本颖 郭燕强 叶恒志

(中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司,福建 福州 350003)

1 概述

随着分布式能源渗透率的逐步提高，由于分布式能源的随机性、波动性、不间断性，给电力系统的稳定性带来新的挑战。因此，分布式能源接入电网时需要采用储能[1]系统进行配合，确保电网稳定性及安全性。

分布式能源控制灵活、响应速度快，但是缺少惯性和阻尼特性，无法为系统频率提供惯性支撑。将传统同步发电机所具有的优良特性加入分布式电源的并网功率变换器中，分布式电源的性能必将得到大幅度提升。在此背景下，虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator，VSG)[2-4]的控制策略应运而生。并网功率变换器采用虚拟同步机的控制策略可以在一定程度上改善系统的稳定性。

储能功率变换器(PCS)[5]作为整个储能系统的核心，负责完成储能介质与电网/负载的能量交互，因此PCS的控制性能直接决定了整个储能系统的性能优劣。虚拟同步储能变换器除了实现储能变换的基本功能外，还兼具调频调压以及模拟同步发电机运行的特性。

本文阐述了虚拟同步机控制策略，模拟了同步发电机的机械模型与有功下垂特性，建立了虚拟同步机的功频控制器结构。提出了VSG并网预同步控制策略[6-8]，实现在并网前，虚拟同步机输出电压具有与电网电压一样的幅值与相位，除了具备VSG本身的惯性和阻尼外，并网状态下能够自同步，大大提高了系统的稳定性和可靠性。

2 虚拟同步机模型建立

2.1 同步发电机数学模型

本研究选用隐极式同步发电机为例，假设气隙均匀，无阻尼绕组，且极对数为1，建立其电气模型与机械模型。其物理结构如图1所示。

图1 三相隐极式同步发电机结构

图中，a、b、c三相定子绕组之间相差120°，电感值均为L，两两之间的互感值为M。励磁绕组的旋转速度为w，电感值为Lf，a、b、c三相定子绕组的互感值分别为Maf、Mbf、Mcf，励磁绕组产生的旋转磁场也以角速度ω旋转，于是可以得到：

(1)

式中，Mf为励磁绕组与a、b、c三相定子绕组间的最大互感。

根据图1所示的同步发电机模型，各相绕组上的磁链均为自身电流产生的磁链与其余绕组电流在该绕组产生的磁链之和，可以建立三相定子绕组磁链方程与转子磁链方程为：

(2)

式(2)中，ia、ib、ic分别为a、b、c三相绕组上的电流，if为励磁绕组上的电流。Ψa、Ψb、Ψc为a、b、c三相绕组上的磁链，Ψf为励磁绕组上的磁链。

对于三相对称模型，有三相定子电流幅值相等，相位相差120°，即有：

ia+ib+ic=0

(3)

于是可以将上述方程简化为：

(4)

假定各相定子绕组的电阻值为Rs，可以得到同步发电机三相输出电压为：

(5)

将三相定子磁链方程带入电压方程化简后得到：

(6)

式中Ls=L-M，上述方程反映出同步发电机的输出电压由两部分组成，一部分为三相绕组上的电流在Ls与Rs上产生的压降，另一部分为励磁电流在三相绕组上产生的压降，这一部分称为同步发电机的内电势，其表达式为：

(7)

励磁电流if在同步发电机稳定运行时为恒定值，其变化率为0，因此三相定子绕组内电势可以化为：

(8)

式中，θ为转子磁动势与a相定子绕组之间的夹角，根据上述方程可以建立同步发电机的单相等效电路模型如图2所示。

图2 同步发电机等效电路模型

同步发电机机械部分转矩平衡方程式为：

(9)

式中，Tm、Te、Td分别为机械转矩、电磁转矩与阻尼转矩。Js为转子的转动惯量。

2.2 虚拟同步机结构

将虚拟同步机技术运用于储能功率变换器中，使其能够模拟同步发电机的转动惯量特性以及下垂特性，参与到电力系统的调频调压过程中。图3为虚拟同步机整体结构图，其中功率变换器部分由6个IGBT开关管构成传统两电平三相逆变器，输入侧由直流电压Udc供电，输出经LC滤波器进行滤波后接本地负载，再通过网侧电感并入大电网。

图3 虚拟同步机整体结构图

图3中，滤波电容上的电压为uao、ubo、uco，功率变换器输出三相电压为ea、eb、ec，电容电压的大小等于功率变换器输出电压与滤波电感L1上的电压之和，若将ea、eb、ec视为内电势，L1视为同步电抗，则可以把功率变换器模拟成一个同步发电机。

虚拟同步机的控制方式实际表现为功率控制方式，通过采样与功率计算环节获得虚拟同步机的输出有功功率与无功功率，经过虚拟同步机控制算法得到三相调制波的电压幅值Em与相位角θ，最后通过三相SPWM控制得到功率变换器开关管的驱动信号。

根据瞬时功率理论，功率测量环节的实现，可通过在两相静止坐标系αβ下计算出虚拟同步机输出有功功率Pe和无功功率Qe，其计算公式为：

(10)

式中，uα、uβ、iα、iβ分别为电容电压在αβ轴下的分量与输出电流在αβ轴下分量。

图4为虚拟同步机的控制结构图，虚拟调速器与虚拟励磁控制器模拟了同步发电机的调速器与励磁控制器的算法，实现功率变换器对同步发电机运行特性的模拟。

图4 虚拟同步机控制结构图

3 锁相环下的预同步控制策略

虚拟同步机在并网前必须进行预同步控制，其本质在于实现并网瞬间，功率变换器输出电压频率、相位以及幅值能够与电网电压频率、相位、幅值一致，从而防止并网瞬间产生的功率冲击。

图5为预同步控制策略的整体结构图，三相锁相环的目的是获得虚拟同步机和电网的电压幅值与相位。具体的控制过程分为电压幅值的闭环控制与相位的闭环控制，从而实现并网前虚拟同步机的电压幅值、相位与电网电压一致。

图5 预同步控制策略框图

图5中，up代表电网电压瞬时值，uo代表虚拟同步机输出电压瞬时值，预同步过程主要分为相位预同步和电压幅值预同步两个过程。

相位预同步过程：通过锁相环得出功率变换器输出相位θo与电网电压相位θp，对两者做差得到相位差Δθ，经过PI环节，将输出信号进行限幅叠加至VSG频率给定信号上。具体结构如图6所示。

图6 相位预同步控制方案

电压幅值预同步过程：通过锁相环同样能够获得虚拟同步机输出电压幅值Uom与电网电压幅值Upm，对两者做差得到电压幅值差ΔU，经过PI环节，将输出信号进行限幅叠加至VSG电压幅值给定信号上。具体结构框图如图7所示。

图7 电压幅值相位预同步控制方案

4 仿真验证

在Matlab/simulin下搭建了虚拟同步机的仿真模型，其结构如图8所示。

图8 虚拟同步机仿真模型

虚拟同步机主电路部分主要包括直流电源、逆变桥模块、逆变器侧电感、滤波电容、本地负载、并网开关、网侧电感、三相交流源以及采样模块。其中功率变换器侧电感与滤波电容共同构成LC滤波器，三相交流源用来模拟电网。

控制部分主要包括PQ功率计算模块、输出电压幅值计算模块、功频控制器、励磁控制器、预同步控制模块以及Spwm控制模块。其中功频控制器模拟了同步发电机的机械模型与有功下垂控制特性，具体仿真模型如图9所示。

图9 功频控制器仿真模型

功频控制器中包含了有功功率给定值Pref、虚拟同步机额定输出电压频率ωref，以及需要对转动惯量J和下垂系数Dp进行设置。功频控制器的输入量为虚拟同步机输出功率Pe以及预同步控制的输出频率差Δωy，输出量为虚拟同步机输出电压相位值θ。

本文还进行了虚拟同步机的预同步控制策略仿真。设置虚拟同步机功率给定值Pref=12kW，带本地负载6kW运行，在0.2s时开启预同步控制，仿真结果如图10所示。

图10(a)为虚拟同步机输出A相电压uoa与电网A相电压upa在预同步开启前后的波形，由于在开启预同步前，虚拟同步机的有功功率给定值大于本地负载有功功率，导致虚拟同步机输出电压频率将大于额定50Hz频率，因此虚拟同步机输出电压相位将超前电网电压相位并不断增加。0.2s后，虚拟同步机输出电压相位开始追踪电网电压相位。图10(b)为虚拟同步机输出电压与电网电压相位差的正弦值sinΔθ，根据仿真结果显示，在0.25s后，虚拟同步机输出电压具有与电网电压相同的相位，预同步控制过程完成。

(a)VSG输出A相电压与电网A相电压

5 结论

本文模拟了同步发电机的机械模型与有功下垂特性，建立了储能功率变换器虚拟同步机模型。通过锁相环获得虚拟同步机的输出电压与电网电压的幅值、相位，进行锁相环下的预同步控制。最后通过Matlab仿真验证了此控制策略的可行性。