基于电网单相电压采集的VSG预同步技术

赵 明，吴强国，黄 峰

（广州智光电气技术有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

随着全球经济日益增长和能源需求的扩大，能源不足与环境问题日益突出，新能源在电网系统中的占比持续上升。作为新能源的重要组成部分，分布式微电网的应用和研究得到越来越多的关注，而作为分布式能源与微电网能源的纽带，储能变流器（Power Conversion System，PCS）在微电网系统中处于核心的控制角色[1,2]。微电网最典型的特点就是要求具备并离网切换功能，从而实现与大电网互动和解耦的灵活切换。虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator，VSG）技术因其特有的惯量特点，成为近年来学术界的研究热点，VSG与电网的同步技术直接影响着PCS无缝切换的实际效果[3,4]。

本文介绍了常见变流器的硬件拓扑类型和基于硬件拓扑的VSG控制模型，给出VSG和电网之间的预同步优化原理和实现策略，同时在125 kW样机上验证本文所提预同步方案的有效性。

1 储能变流器的拓扑原理

储能变流器是连接电池与电网或负载，用于直流电能和交流电能变换的装置。常见的微电网拓扑如图1所示。

图1 微电网拓扑

PCS是微电网系统中的核心设备，其典型拓扑结构如图2所示。

图2 PCS拓扑结构

储能变流器的拓扑主要包括功率变换、滤波、配电等部分，行业中也有采用二电平的拓扑变换结构。在VSG应用中，二电平和三电平原理基本相同，本文以三电平拓扑为基础展开论述。

2 VSG系统控制架构

VSG的典型控制架构方案较多，按照类别可以分为电流电压双环控制型、下垂控制型、模型等效控制型等。其基本原理是根据同步发电机的物理特性，通过合理参数设计使电力电子变换器的输出具备同步发电机的特性[5]。本文采用典型的基于同步电机特性的VSG控制算法，控制原理如图3所示。

图3 VSG控制原理

图3中：S1为调频调压使能开关；S2为功率调度使能开关；S3为并网模式使能开关；S4为预同步使能开关。在上述控制系统中，通过各类使能开关的切换可以实现有功控制、无功控制、离网运行以及预同步等功能。

离网转并网切换原理为使能预同步控制单元，通过对虚拟电动势幅值Em和角频率ω的补偿，实现离网/并网无缝切换。预同步功能启动时，S1闭合、S2断开、S3断开以及S4闭合。

以a相为例，离网运行模式下虚拟同步发电机的输出端口电压uvsga和电网电压uga分别为

一般地，电网电压幅值U1和微电网处于离网运行的电压幅值U2值相差不大，即近似地有U1=U2=U。那么，两电压的瞬时差值为

并网同步过程的矢量图模型如图4所示，其中VSG输出电压矢量U2的旋转角速度为ω0，大电网电压矢量U1的旋转角速度为ωg。

图4 并网同步过程向量

并网运行过程中，当启动预同步功能时，通过调节ωg，使得U1和U2接近重合，此时可以认为VSG和大电网之间实现电压同步，通过使能配电开关实现离/并网模式的快速切换。

3 预同步技术

预同步的功能主要是PCS从离网状态转为并网状态时，当收到预同步的指令后实现与电网相位的同步，同时发出闭合PCC开关的使能信号，控制PCC闭合，实现离网切换为并网状态。常规预同步需要3电压，但对于并机来说，受限于硬件，暂定预同步时只采样1路PCC点电压，只能通过算法将1路扩展为3路[6-8]。

基于双派克变换的单相锁相环，不需要生成正交坐标信号，在输入的电压频率、相位和幅值发生变化时，仍然能够准确、迅速地计算出输入信号的相位信息，同时可以对输入电压信号的最大值进行准确测量[9]。只采样1路电压信号时，可以认为三相电压信号中的另外2路信号恒为0。根据对称向量矢量计算原理，将此信号经过矢量算法分解成幅值相等、相位相同的正序、对称负序、对称零序3部分。假如输入信号为

将式（4）经过正序派克变换，可得

将式（5）经过负序派克变换，可得

其中Tpark(θ)为

经过推导，正序派克变换后的式（5）可以经过基于负序派克坐标系变换得到式（6）中的交流分量。通过式（5）和式（6）之间的相互解耦，即可消除式（5）的交流量，只有直流分量，即

基于以上分析，可以推导出如图5所示的锁相环结构成。其中，第一派克变换、第二派克变换分别为正序派克变换、负序派克变换。低通滤波器LPF1和LPF2用来获取两组派克变换结果中的低频或直流分量，压控制振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）是1个积分环节，用于测量相位信息[10]。

图5 锁相环结构

4 实验结果

基于上述理论分析搭建试验平台，采用一台125 kW的PCS作为实验样机。对PCS下发预同步指令时，VSG输出电压和电网电压波形对比情况如图6所示。

图6 试验波形

试验结果表明，当下发离网转并网指令后，VSG电压和电网电压可以快速实现相位同步。

5 结 论

基于VSG控制的储能变流器应用，分析了VSG基本控制模型和从离网切入并网过程中的原理条件，研究VSG离网转并网过程的预同步技术原理，提出了单相电压采集条件下预同步方法。从控制架构和理论分析验证理论正确性，通过试验证明了预同步方案的有效性。