不对称电压跌落下虚拟同步机改进低电压穿越控制策略

丁一凡，季 亮，常 潇，洪启腾，李振坤，米 阳，郭佳龙

不对称电压跌落下虚拟同步机改进低电压穿越控制策略

丁一凡1，季 亮1，常 潇2，洪启腾3，李振坤1，米 阳1，郭佳龙1

(1.上海电力大学电气工程学院，上海 200090；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；3.英国思克莱德大学，英国 格拉斯哥 G11XQ)

虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator, VSG)是提高以新能源为主体的新型电力系统稳定性的有效途径。应用于逆变型新能源(Inverter-Interfaced Renewable Generation, IIRG)并网的虚拟同步机在不对称电压跌落情况下可能丧失VSG特性，并因低压穿越能力不足或电压电流越限而导致切机，危害电力系统安全稳定运行。对此，提出了一种新型VSG控制策略。该方法在不对称电压跌落情况下，既能持续提供系统惯性和阻尼，又能提供主动电压支撑，有效提高VSG低压穿越能力，并保证扰动下的系统稳定性。首先，分析了传统VSG在不平衡电压跌落情况下的响应特性。然后，提出了一种基于平衡电流的改进VSG控制结构，将传统VSG单电流环控制改为双电流环控制，维持VSG在电压跌落条件下的惯性阻尼特性，并实现对正负序分量的精准控制。接着，基于改进的双电流环控制拓扑，在逆变器安全运行条件下，对正负序参考电流整定方法进行优化，以实现VSG主动电压支撑和电流限幅。最后，基于Matlab/Simulink仿真平台，验证了所提控制策略在多种系统运行条件下的响应特性及有效性。

虚拟同步机；不对称电压跌落；电压支撑能力；低电压穿越；电流限幅

0 引言

随着能源稀缺与全球变暖问题的日益严重，低碳发展逐渐成为世界各国的发展战略。以光伏、风电为代表的新能源发电将逐渐取代传统火力发电，给电力系统的稳定运行带来挑战[1-3]。传统的同步发电机由于转子的存在，可以储存能量为电网提供惯性和阻尼。而分布式发电单元大多都是通过逆变器并网的，此类逆变型新能源发电单元(IIRG)大多不具备同步发电机的惯性和阻尼，导致电力系统中的旋转备用容量及转动惯量相对减少，此时电力系统容易受到功率波动和故障的影响造成系统失稳[4]。因此，有学者提出了虚拟同步机控制策略，可以模拟同步发电机为系统提供转动惯量、下垂特性以及阻尼特性。文献[5-6]介绍了电压控制型和电流控制型VSG的原理和实现方法。目前，VSG得到了广泛的研究，主要针对其稳态工况进行，包括小信号分析[7-8]、并列运行[9-10]以及惯性自适应[11-13]等。

然而，实际配电网运行环境复杂，经常出现电压跌落、三相不平衡等故障，故障下VSG控制策略输出电能质量明显降低，严重时可能会造成IIRG切机甚至连锁切机等事故，危害电网的运行稳定性[14-15]。并网准则要求，新能源发电单元在电网电压跌落期间需要具备低电压穿越(Low Voltage Ride- through, LVRT)能力[16]。因此，研究故障下改进VSG控制，提升其低压穿越能力，从而保证故障下IIRG的安全运行具有实际意义。

目前，针对故障下VSG的改进控制研究相对较少，主要分为改进逆变器本身控制和引入硬件设备来辅助低压穿越两个方面。

在对于逆变器本身改进控制的研究中，一部分学者致力于研究模式切换算法，即在故障时由VSG控制切换到其他控制[17-18]。文献[17]提出了一种基于平滑切换的虚拟同步发电机低电压穿越控制策略，并详细介绍了平滑切换算法。但是，该方案并没有对切换过程进行深入分析且故障下改变了VSG的电压源外特性。文献[18]通过对故障期间的电流进行状态跟随，实现了VSG控制和传统低电压穿越控制的平滑切换。但是，该方案在故障期间对VSG控制进行切换后，IIRG将不能够继续为电网提供惯量和阻尼以降低故障对系统的冲击，丧失了VSG控制的特性。相比较切换控制策略的思路，还有一部分学者研究了针对于VSG控制本身的改进方法[19-21]。文献[19]将虚拟阻抗与相量限流相结合提出一种适用于直接电压型VSG的限流方法。然而，该方法只适用于对称故障，局限性比较强。文献[20]提出了一种考虑不平衡电网电压的VSG平衡电流控制方法，该方案实现了在电网电压不平衡时有效控制VSG 输出三相平衡电流，提出的改进控制拓扑对后续研究具有重要意义。文献[21]在文献[20]的基础上分别实现了有功功率恒定、无功功率恒定的控制目标，给出了对应的参考电流计算方法，但是该策略仍然无法实现同时输出恒定有功、无功功率。

对于引入硬件设备来辅助VSG低压穿越的研究，目前仍处于起步阶段。现有研究主要引入的设备是超导故障限流器(Superconducting Fault Current Limiter, SFCL)。文献[22]设计了在并网点装设SFCL的VSG并网结构，仿真表明SFCL可以很好地限制VSG故障电流以及改善VSG的电压分布，提升VSG电压穿越能力。与研究改进控制策略相比，使用附加硬件设备避免了对现有逆变器控制进行重新设计，安装灵活度高，具备良好的发展前景。

上述研究主要是针对电压控制型VSG提出的，故障下只能按照给定参考值输出恒定功率，无法在故障下保留VSG特性，这主要是因为电压型VSG外特性为电压源，有功无功耦合，无法直接控制功率[23]导致的。而电流控制型VSG基于常规矢量控制技术附加了频率调节控制，保留了电流内环控制结构，控制电流指令即可精准控制输出功率[24]。目前，针对于电流型VSG的低压穿越控制特别是不对称故障下的研究较少。

对此，本文基于电流控制型VSG提出了一种电压跌落下的改进低压穿越控制策略。首先，分析了VSG故障下的输出特性；然后，提出了全新的改进VSG控制结构，可实现不对称故障下正负序分量的精准调节；最后，提出了优化后的参考电流整定方法，故障下保证VSG特性主动支撑电网的同时电流电压不越限。

1 VSG拓扑结构及数学模型

图1 VSG拓扑结构及控制策略

VSG控制策略主要由两个功率控制环构成，其中有功功率控制环模拟同步发电机的惯性和一次调频特性，无功功率控制环模拟同步发电机的一次调压特性[4-6]。电流控制型VSG的数学方程由电机控制方程推导而来，电机控制方程数学表达式如式(1)所示[25]。

到此就得到了电流控制型VSG的数学模型。电网电压和频率的变化通过电压幅值和电角速度的变化最终反映在VSG有功无功控制指令发生改变，进而改变参考电流，通过电流内环控制实现对输出功率的调节。这就是VSG模拟同步发电机的过程。

2 VSG故障特性分析

传统VSG控制是基于电网稳态运行提出的，正常工况下可以主动参与调节电网频率与电压，提高系统稳定性。但是当电网受到扰动，电压跌落时，传统VSG控制将面临输出电流越限、控制系统失稳等问题，故障期间无法发挥VSG特性主动支撑电网。

1) 输出电流越限

传统VSG一般可以等效为电压源，其并网等效模型如图2所示。

图2 VSG并网等效模型

图3 VSG并网向量图

正常情况下VSG输出电流可以表示为

2) 控制系统失稳

当电网发生不对称电压跌落时，此时三相电压幅值不相等，传统VSG控制的幅值计算公式为

又因为电流内环控制中的PI调节器无法对波动的参考值进行无差调节，控制系统失稳，此时VSG输出电流波形畸变，三相不对称。

3 不对称电压跌落下VSG改进控制策略

当电网发生不对称电压跌落时，为继续发挥VSG特性进行主动电压支撑，持续为系统提供惯性和阻尼并保证合乎要求的电能质量，本文设计了全新的控制拓扑以及电压支撑、限流方法。

3.1 基于平衡电流的改进VSG控制拓扑

当电网发生不对称电压跌落时，电流中将出现负序分量，从而导致三相不平衡。为实现三相电流恢复平衡，本文引入经典电流矢量控制中的平衡电流控制对VSG控制进行了改进，与经典VSG控制对比，改进控制在原电流环的基础上，增加了负序电流环，通过对正负序参考指令的调节即可实现对电网正负序分量的精准控制。

图4 改进VSG控制拓扑

此时VSG参考电流可表示为

3.2 控制目标

1) 电压支撑

为了故障下保留VSG特性主动支撑电压，控制策略需要保证其支撑后的相电压幅值不越限。但是当电网电压发生跌落时，VSG控制策略产生的无功功率增量无法直观地体现其电压支撑效果，无法验证支撑后电压是否满足电网安全运行要求。因此，本文研究了功率增量与相电压幅值的关系，对VSG参数设计加入了新的约束即保证任何电压跌落下VSG主动电压支撑后相电压幅值均不越限。

故障下逆变器的电压支撑主要体现在对电网正序电压的主动支撑上，本文改进VSG也针对正序电压支撑进行，故只需针对正序电压进行分析。

根据图1所示网络拓扑，在不对称电压跌落时，电压正负序分量可表示为

电压不对称时，PCC母线三相电压幅值可表示为

其中：

将式(19)与式(14)联立，可以得出最大化电压支撑下对应的无功参考电流。

2) 电流限幅

为保证控制策略在逆变器安全运行的前提下，尽可能主动支撑电网，本文控制策略需要维持VSG特性，并保证电流不越限。

根据式(11)，逆变器输出各相电流可以表示为

其中：

由于需要实现输出电流三相平衡的目标，负序参考电流需要置零，即

将式(24)和式(25)代入式(21)，此时相电流幅值三相相等，可表示为

为在逆变器安全运行前提下充分发挥VSG特性主动支撑电网电压，无功电流参考值整定为

4 仿真验证

表1 仿真参数设置

总仿真时间设为0.4 s，当= 0.1 s时电网侧母线发生电压跌落，= 0.3 s时切除故障。其中正常运行时采用传统VSG控制策略，故障期间(= 0.1～0.3 s)切换为本文改进VSG控制策略。为验证控制策略在对称以及不对称故障下的控制效果，分别设计了两个算例进行实验验证，具体算例设置如表2所示。

表2 仿真算例设置

4.1 算例1：对称电压跌落

图5 场景1下改进VSG控制输出特性

图6展示了场景1下传统VSG控制IIRG的输出特性。在电网发生对称电压跌落下，传统VSG控制可以实现对电网的主动电压支撑，由于没有限流措施，其在故障下保持原有功出力，输出电流越限，达到了1.35 p.u.，如图6(c)所示。

图6 场景1下传统VSG控制输出特性

4.2 算例2：不对称电压跌落

图7 场景2下改进VSG控制输出特性

图8展示了场景2下传统VSG控制IIRG的输出特性。如图8(a)和图8(b)所示，当电压三相不对称时，传统VSG控制有功无功指令电流出现振荡。此时VSG输出功率不稳定进而导致PCC正负序电压发生振荡，如图8(c)所示。由图8(d)可知，和本文控制策略相比，传统VSG输出电流三相不平衡且严重越限，最大相电流的幅值达到了1.84 p.u.，危害逆变器安全运行。

图8 场景2下传统VSG控制输出特性

4.3 与其他VSG低压穿越控制效果比较

与本文改进控制策略相比，现有VSG低压穿越控制大多无法在故障时发挥VSG特性支撑电网，只能维持恒定功率输出。本节选取文献[20]提出的考虑不平衡电网电压的VSG平衡电流控制进行对比。

图9 本文控制与VSG平衡电流控制效果对比

由图9(a)和图9(b)可知，当电网发生不对称电压跌落时，本文控制策略在故障期间发挥了VSG阻尼惯量特性，为电网注入了一定量的无功功率，主动支撑电网电压，故障时产生的无功功率增量达到了0.5 p.u.，而VSG平衡电流控制在电压跌落情况下只能保持原有功率设定值输出，输出无功功率为0 p.u.，故障时失去了VSG特性，不能有效支撑电网。如图9(c)和图9(d)所示，本文控制策略中加入了限流算法，优先保证电压支撑能力，故障期间限制有功功率的输出以保证逆变器安全运行，而VSG平衡电流策略由于缺少相应的限流策略，仍然保持正常运行时功率指令输出，电流严重越限，电流幅值达到了1.73 p.u.。由此可见，本文控制策略通过改进控制结构以及限流算法的加入，在电压跌落情况下仍可以发挥VSG特性主动支撑电网，较VSG平衡电流策略提升显著。

5 结论

传统VSG控制策略在正常工况下可以实现IIRG对电网频率、电压的自主调节，模拟同步发电机的输出特性，维持电力系统稳定运行。但当电网发生电压跌落时，其调节特性受到影响且低电压穿越能力不足。针对以上问题，本文提出了一种改进VSG控制策略，在故障下有效地改善了输出电能质量且可以保持VSG特性支撑电网。本文提出的改进控制策略具有如下几点特性：

1) 提出了改进VSG控制拓扑结构，不对称电压跌落下仍能保持VSG阻尼与惯性特性，有效支撑电网正序电压。

2) 提出了新的电压支撑方法，对VSG参数设计建立了新的约束，保证VSG在进行电压支撑时，相电压均不越限。

3) 提出的改进VSG控制策略，提高了VSG的低压穿越能力，故障时可持续为系统提供惯性和阻尼，提升了VSG的并网适应性。

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Improved low voltage ride-through control strategy of a virtual synchronous generator during unbalanced voltage sags

DING Yifan1, JI Liang1, CHANG Xiao2, HONG Qiteng3, LI Zhenkun1, MI Yang1, GUO Jialong1

(1. School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China;2.State Grid Electric Power Research Institute of Shanxi Electric Power Company, Taiyuan 030001, China;3. University of Strathclyde, Glasgow G11XQ, United Kingdom)

The virtual synchronous generator (VSG) is an effective way to improve the stability of a new power system based on new energy.The VSG applied to inverter-interfaced renewable generation (IIRG) may lose VSG characteristics under unbalanced voltage drops, and may cause generator tripping because of insufficient low-voltage ride-through capability or voltage and current over-limit. This endangers the safe and stable operation of the power system. A new VSG control strategy is proposed in this paper. This method can not only provide system inertia and damping, but also provide active voltage support when there is unbalanced voltage drop, effectively improve the low voltage ride-through capability of VSG, and ensure system stability under disturbance.First, the response characteristics of a traditional VSG with an unbalanced voltage drop are analyzed. Then, an improved control structure based on balanced current is proposed, one which changes the traditional single current loop control of VSG to double current loop control, maintains the inertial damping characteristics of VSG under voltage drop conditions, and realizes the accurate control of positive and negative sequence components. Then, based on the improved control topology, in a safe operational condition of the inverter, the positive and negative sequence reference current setting is optimized to realize VSG active voltage support and current limiting.Finally, based on the Matlab/Simulink simulation platform, the response characteristics of the proposed control strategy in various system operating conditions are verified. This ensures the effectiveness of the method.

virtual synchronous generator; unbalanced voltage sag; voltage support capability; low voltage ride-through; current limitation

10.19783/j.cnki.pspc.211493

2021-11-03；

2022-01-14

丁一凡(1997—)，男，硕士研究生，研究方向为逆变型新能源发电并网控制；E-mail: 879527858@qq.com

季 亮(1985—)，男，通信作者，博士，副教授，研究方向为电力系统保护与控制；E-mail: jihome2002@sina.cn

常 潇(1987—)，男，博士，高级工程师，研究方向为新能源并网、电能质量分析和储能应用技术等。

国家自然科学基金项目资助(61873159)；上海绿色能源并网工程技术研究中心项目资助(13DZ2251900)；上海市电站自动化技术重点实验室项目资助

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 61873159).

(编辑 魏小丽)