文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172824
中文引用格式: 孫戈,張志禹,,馬如偉. 多VSG并聯(lián)組網(wǎng)下的功率分配策略研究[J].電子技術應用,,2018,44(5):151-154.
英文引用格式: Sun Ge,,Zhang Zhiyu,Ma Ruwei. Power allocation strategy for multi VSG parallel networks[J]. Application of Elec-
tronic Technique,,2018,,44(5):151-154.
0 引言
微電網(wǎng)是各種類型的分布式電源并網(wǎng)的重要形式,也是清潔能源與電網(wǎng)之間的橋梁,。隨著分布式電源滲透率的提高,,增大對大電網(wǎng)電壓和頻率的不利影響,,從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性是亟待解決的。傳統(tǒng)的微網(wǎng)逆變器控制策略幾乎沒有慣性,,無法為電網(wǎng)提供穩(wěn)定性支撐,,所以需要新的控制策略來改善新能源的調頻調壓特性,對未來智慧城市的建設具有重要意義,。
虛擬同步發(fā)電機(VSG)的外接口特性能夠與同步發(fā)電機(SG)相媲美,,具備SG所固有的轉子慣性、調頻調壓特性,、下垂外特性以及輸出阻抗特性,,對維持大電網(wǎng)穩(wěn)定性具有重要意義,利用VSG算法將逆變器控制成具有SG的特性,,在負荷變化過程中,,維持頻率和電壓穩(wěn)定[1]。文獻[1]通過模擬同步發(fā)電機的預同步裝置,,實現(xiàn)虛擬同步發(fā)電機并/離網(wǎng)無縫切換,,并且給出了轉動慣量和阻尼系數(shù)的參數(shù)優(yōu)化方法,但沒有考慮實際參數(shù)的物理意義,。文獻[2-3]按照SG的電磁暫態(tài)特性進行設計,,主要考慮了有功調頻和無功調壓特性,保證了系統(tǒng)動態(tài)過程頻率和輸出電壓的穩(wěn)定性,。文獻[4]對同步發(fā)電機轉子運動方程線性化處理,,提出了阻尼參數(shù)和轉動慣量優(yōu)化方案,但沒有給出電磁暫態(tài)特性及調壓特性,,弱電網(wǎng)下難以支撐電壓,。
本文基于孤島微電網(wǎng)下的VSG虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制策略,結合VSG控制框圖,,首先詳細闡述了虛擬同步發(fā)電機各個控制部分的基本原理,,其次以兩臺不同容量的VSG為例,提出并聯(lián)組網(wǎng)時的功率分配策略,,通過搭建兩臺不同容量的VSG并聯(lián)系統(tǒng)仿真模型,,實現(xiàn)VSG在并網(wǎng)下按照額定容量比進行功率分配。最后經過驗證,,多VSG并聯(lián)下的功率分配策略可以實現(xiàn)離/并網(wǎng)模式下的無縫平滑切換,。
1 虛擬同步發(fā)電機控制策略
虛擬同步發(fā)電機控制策略主要包括功頻調節(jié)器、勵磁調節(jié)器,、電氣控制部分,、雙閉環(huán)控制以及預同步過程五個部分,調制部分為SPWM調制用于驅動IGBT的通斷,,VSG控制框圖如圖1所示,。
1.1 功頻調節(jié)器
由原動機方程和機械轉子方程共同組成功頻調節(jié)器,,假設極對數(shù)為1,VSG的轉子運動方程如式(1),。
式中:ω為轉子角速度,;ω0為空載轉子角速度;Tm為機械轉矩,;Te為電磁轉矩,;Pm、Pe分別為機械功率和電磁功率,;D為虛擬阻尼系數(shù),;J為虛擬慣量。虛擬同步機的功頻調節(jié)器能夠在并網(wǎng)跟蹤的基礎上對頻率的偏差做出有功調節(jié)響應,,有效提升多微源逆變器應對頻率異常事件情況,,有助于頻率的平穩(wěn)變化,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。
1.2 電氣控制部分
現(xiàn)研究的逆變器控制算法大多數(shù)是逆變器輸出呈阻性,,實際中同步發(fā)電機的輸出阻抗呈感性,故本文模擬同步發(fā)電機的外特性,,VSG的電氣控制部分采用同步發(fā)電機的二階方程,,為使VSG輸出阻抗呈感性,令r=0,,如式(2),。
1.3 勵磁調節(jié)器
通過無功調壓下垂特性得到VSG機端電壓的給定值Uref,其表達式:
式中:UN為額定電壓,,Dq為無功調節(jié)系數(shù),,Qref、Q分別為無功指令和瞬時無功值,。
VSG無功調壓控制部分較好地模擬同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定電壓的特性,,使得輸出電壓在一個合理值,,能夠更好地實現(xiàn)VSG并聯(lián)下的功率分配,。
1.4 雙環(huán)控制
通過電壓和電流的相互解耦,實現(xiàn)電壓和電流的獨立控制能夠簡化控制算法,,使得多微源逆變器的電壓控制方式是由電壓外環(huán)控制器和電流內環(huán)控制器組合來實現(xiàn)的,,電壓外環(huán)的主要作用是確定電流內環(huán)的參考值,電流內環(huán)的主要作用是實現(xiàn)電流的快速跟蹤控制,,輸出SPWM波的調制電壓信號,。控制框圖如圖1所示,。
1.5 預同步控制原理
為減少電流沖擊的影響,,虛擬同步發(fā)電機并入微網(wǎng)前其輸出電壓頻率,、相位和幅值必須與多微源母線電壓一致,預同步原理:q軸電壓經過PI調節(jié)器后產生頻率調節(jié)量與VSG功頻調節(jié)器的輸出頻率疊加,,產生微網(wǎng)母線電壓相位θ,,并入多VSG時,為使Δω=0,,必須切除并聯(lián)同步,。此刻,VSG將和其他VSG共同承擔供電任務(注意VSG是空載并入逆變器的),。
總的來說,,虛擬同步發(fā)電機控制的逆變器具有和傳統(tǒng)同步發(fā)電機一樣的外特性,在穩(wěn)定電壓和頻率的同時,,分別利用虛擬慣量和虛擬阻尼系數(shù)來提高微電網(wǎng)的頻率和電壓的穩(wěn)定性,。
2 多VSG并聯(lián)時的功率分配策略
本文主要討論不同容量的兩臺VSG并聯(lián)組網(wǎng)時的功率分配,由于本文提出的基于VSG虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制策略可以通過調整虛擬阻抗的取值來調整其輸出阻抗的大小,,圖2為含線路阻抗的兩臺VSG并聯(lián)示意圖,,由于每臺VSG輸出有功功率和無功功率均受線路阻抗的影響,導致功率不能均分[5],。當輸出阻抗遠遠大于線路阻抗時,,線路阻抗對其影響可忽略。
忽略線路阻抗時,,每臺VSG機端輸出功率為:
要按照額定容量比進行有功功率分配,,即需要:
3 仿真分析
如圖3所示,為兩臺VSG控制的兩電平逆變器帶LC濾波器組成的并聯(lián)結構圖,,基于此框圖和結合圖1的VSG控制圖,,在MATLAB/simulink平臺上搭建模型,對提出的分配策略進行驗證,。
仿真參數(shù):直流母線電壓Udc=700 V,,額定相電壓幅值UN=311 V,額定頻率f=50 Hz,;VSG1仿真參數(shù):J=12,,D=18,調頻系數(shù)Kp=10 000,,無功調節(jié)系數(shù)Dq=0.03,,虛擬阻抗Lvir1=5 mH,濾波電感L1=2 mH,,濾波電容C=50 μF,,導線參數(shù):R=0.2 Ω,L2=0.2 mH,;VSG2仿真參數(shù):J=6,,D=9,,調頻系數(shù)Kp=5 000,無功調壓系數(shù)Dq=0.06,,虛擬阻抗為Lvir2=10 mH,,濾波電感L1=4 mH,導線參數(shù):R=0.4 Ω,,L2=0.4 mH,。
仿真階段:VSG1帶載啟動,0.8 s啟動VSG2,,在1 s時投入帶10 kW+8 Var的本地負載,,1.5 s投入阻感,并聯(lián)同步使能,,3~3.5 s并入電網(wǎng),,整個運行時間為4.5 s,在整個階段,,兩臺虛擬同步發(fā)電機的輸出有功功率和無功功率如圖4和圖5所示,。
由圖4和圖5可知,引入勵磁器后,,基于VSG虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制策略,,很好地保證并聯(lián)組網(wǎng)模式下并網(wǎng)逆變器對功率的跟蹤,離網(wǎng)運行模式下滿足本地負載的需求,,在離/并網(wǎng)模式切換下系統(tǒng)具有和SG一樣的外特性,。從圖中看到VSG1和VSG2輸出的有功功率之比和無功功率之比均為2:1,滿足上文中的仿真參數(shù)設計,,驗證了本文提出的功率分配策略,,實現(xiàn)了兩臺不同容量VSG在并聯(lián)組網(wǎng)下按照額定容量比進行功率分配。
圖6和圖7給出了虛擬同步發(fā)電機電流波形,,3~3.5 s為并網(wǎng)時間,,電流出現(xiàn)變化,但又迅速穩(wěn)定下來,,整個階段,,電流波形變化在所提策略設想內,運行良好,。圖7也是離/并網(wǎng)切換時電流波形變化情況,在切換過程中電流波形平滑穩(wěn)定,,沒有出現(xiàn)沖擊電流或者明顯波動,。
圖8給出的是虛擬同步發(fā)電機電壓波形,,圖中給出的是1 s~3 s時間段,在離網(wǎng)運行模式,,預同步階段,,離/并網(wǎng)模式下,,虛擬同步發(fā)電機端電壓幅值一直保持在311 V左右,說明本文所提策略可以很好地控制其輸出電壓,,圖9給出了微電網(wǎng)頻率變化曲線,,在1 s投入本地負載時,頻率有微小波動,,但很快又趨于平穩(wěn),;在1.5 s時,無縫切換過程中VSG和微電網(wǎng)的頻率加大,,微電網(wǎng)電壓要追趕電網(wǎng)電壓,,促使微電網(wǎng)頻率迅速降低后,又在短時間內恢復,,在并網(wǎng)階段,,頻率保持不變,波形保持完好,。圖10給出在1.5 s時的微電網(wǎng)電壓追趕電網(wǎng)電壓波形變化情況,,大約在1.63 s實現(xiàn)同步,預同步響應快速,。
4 結論
本文基于現(xiàn)有VSG虛擬阻抗的雙閉環(huán)控制策略,,引入勵磁控制器,考慮了實際導線參數(shù),,提出一種多VSG并聯(lián)組網(wǎng)下的功率分配策略,,通過搭建兩臺不同容量的VSG并聯(lián)系統(tǒng)仿真模型,實現(xiàn)了VSG在并網(wǎng)下按照額定容量比進行功率分配,。通過仿真分析和驗證,,多VSG并聯(lián)下的功率分配策略可以實現(xiàn)離/并網(wǎng)運行模式的無縫平滑切換,對示范工程建設有一定借鑒意義,。
參考文獻
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作者信息:
孫 戈1,,張志禹1,,馬如偉2
(1.西安理工大學 自動化與信息工程學院,陜西 西安710048,;2.國網(wǎng)山東省電力公司萊蕪供電公司,,山東 萊蕪271100)