基于VSG技术的微电网虚拟惯性控制策略

贾杰, 任伟

(国网呼伦贝尔供电公司,内蒙古,呼伦贝尔 021008)

0 引言

近年来可再生能源利用率逐步提高,传统同步发电机在电网中的比例逐渐下降,旋转动能和惯量的好处也减少了,对整个微电网系统来说,是一个挑战[1-3]。对于风电系统而言,并网逆变器通常采用被动自适应控制算法,以实现最大功率点跟踪(MPPT),但对惯性支撑的贡献不大[4]。

因此,适应新形势下微电网系统的稳定性问题已有大量文献开展了研究[5-8]。近年来,虚拟同步发电机(VSG)技术成为了一个研究热点。VSG技术模拟同步发电机的基本原理到逆变器控制算法中,有效解决了低阻尼和惯性的问题。目前,众多学者在VSG并联技术、合并储能控制技术、惯性自适应控制策略等细分领域方面开展了广泛的研究,并获得一些相应的研究成果。

1 基于VSG的新型虚拟惯性控制算法

1.1 VSG技术的基本原理

VSG的拓扑结构如图1所示。直流母线电压和电流为udc和idc,LCL滤波器的参数分别为Ls1、Rs1、Ls2、Rs2、Cs和Rs3。VSG输出相电流为igk,下标“k”为a、b和c。

图1 VSG的拓扑结构框图

图1中的VSG数学模型可描述为

(1)

其中,P*和Q*为有功和无功功率指令值,Dp和Dq是P-f和Q-V下垂系数,P和Q是有功和无功功率反馈值,J和K是有功和无功功率惯性系数,ω*和ω为额定角速度和虚拟转子角速度,V*和V是额定电压幅值和输出电压幅值,E为VSG电动势,θ是虚拟转子位置角。

当交流负载突然增加时,ω下垂并瞬间产生功率增量,以抵消交流负载变化,这有助于抑制ω的进一步下降。故VSG具有出色的惯性和频率调节能力。

1.2 虚拟惯性和储能算法的兼容性分析

采用虚拟惯性后,应设计储能装置的控制算法,以便同时实现储能和虚拟惯性支撑。如图2所示,储能装置控制算法通常也采用双闭环结构来提高兼容性和可靠性。

图2 储能装置控制结构图

当交流负载突变时,将同时触发VSG中的下垂特性和储能装置中的虚拟惯性,这可以用下面的等式描述:

ΔP=DpΔω+Psc(Δω)

(2)

其中,Psc是超级电容输出功率。忽略外环PI调节器的积分可得:

Psc(Δω)*=(PI)1(Δω*-Δω)≈k1(Δω*-Δω)

(3)

其中,k1是(PI)1调节器的比例系数。将式(3)代入式(2),可得:

ΔP=DpΔω+k1(Δω*-Δω)

(4)

然后,式(4)可简化为如下形式:

(5)

因为Δω和k1Δω*远小于ΔP,式(5)的约束可简化为如下形式:

ΔP<<(Dp-k1)

(6)

基于P-f下垂特性,有:

(7)

其中,ΔPmax是有功功率的最大调节范围,Δωmax是电角速度的最大波动范围。式(6)所描述的约束关系可结合式(7)简化为

(8)

由于ΔP远大于0.1ΔPmax/Δωmax,因此ΔP与-0.1k1正相关,这意味着(PI)1的比例系数应较大以满足设计要求。但大比例系数容易引起冲击并使系统失稳。故使用双环结构的储能算法难以实现预期控制目标。

(9)

其中,Δω′是VSG承担不平衡功率时的电角速度差。式(9)中,k1取Dp的负倍数时,交流负载的频率变化幅度大致与k′成反比地减小,而不是跟随Δω*。

如果将图2中的控制结构改变为滞环控制方法,则系统只能在额定工作频率点附近运行。当VSG下垂起作用时,Δω始终为正或负。即DC/DC斩波器中的一半开关始终保持打开,而其他开关持续关闭,导致储能装置无法正常工作。故滞环控制方案也是不可取的。

2 新型虚拟惯性控制策略

2.1 附加下垂特性

不同于传统虚拟惯性方案需采用额外的超速或卸载控制算法以及饱和曲线计算等,新方案只需设置合理阈值,使VSG在阈值范围内提供虚拟惯性支撑即可。

当交流负载变化时,VSG基于虚拟转子惯性会产生瞬态功率支持。通过设置适当的阈值,将转速或转矩的变化限制在合理范围内,可确保系统不会失控。此外,设计了VSG的附加下垂特性,如图3所示。在图3中,ΔPgmax和Δωgmax是附加下垂特性的设定范围,可用于设计功率增量系数kΔP。由图3可得附加下垂特性表达式为

图3 附加下垂特性

(10)

将附加下垂特性代入VSG有功功率回路:

(11)

进一步将式(11)简化为

(12)

从式(12)可以看出,附加下垂特性仅增强了VSG有功功率回路的等效P-f下垂系数,但不干扰VSG正常运行。对于大小相同的功率差,等效下垂系数越大,频率差Δω越小,这符合同步发电机调节规律。同时,附加下垂特性对MPPT算法和同步发电机控制并无影响,因而也不影响风能吸收。

3 仿真验证

为了验证新型虚拟惯性控制策略的效果,基于MATLAB/Simulink仿真平台开展仿真研究,仿真系统参数如表1所示。

表1 仿真系统主要参数

3.1 交流负载突变时的性能验证

首先,进行交流负载突变时的系统性能验证。仿真系统在t=3.6 s时建立好直流电压,在t=4 s时,VSG处于无负载运行状态,然后风速增加,在t=5.5 s时突加交流负载,紧接着t=6 s时,储能装置投入。待系统稳定至t=11 s时,交流负载突加1 kW。仿真中设置Δω*为0。

图4(a)是没有采用本文所提出的虚拟惯性控制策略时的仿真结果。从图4(a)可以看出,在交流负载突增后,ω降至313.53 rad/s。对应图4(b)、图4(c)和图4(d)为采用基于VSG的虚拟惯性控制策略时的仿真结果。对比图4(a)、图4(b)中交流侧频率无明显下降,这实现了控制目标。在图4(c)中,t=0至4 s是VSG空载建压过程,t=4 s至5.5 s是VSG预同步过程,在储能装置和负载接入后,系统以恒定的风速和恒定的交流负载运行,大约t=9 s时进入到稳态,在t=11 s时突加交流负载,发电机转子速度在有限的变化范围内减小,并迅速稳定。在图4(d)中,储能装置自动释放了约1 kW功率,故储能装置不仅可以促进主电路功率平衡,还可以用于调节输出下垂特性,符合理论预期。

(a) 交流侧电角速度(不采用新型控制策略)

4 总结

本文设计了一种新的虚拟惯性控制策略,新方案基于VSG实现。在详细分析交流侧频率运行特性基础上,分别设计了附加下垂特性,储能装置特定控制算法和功率给定算法模块,提高了虚拟惯性控制算法的主动性和直接性。仿真结果表明,新方案能够有效地处理风速和交流负载的变化,提高输出频率的调整速度和精度,同时微电网惯性响应的瞬态和稳态性能均得到改善,有助于扩大风电场对电网稳定性和频率调节的贡献。