基于VSG技术的微电网虚拟惯性控制策略.pdf

Microcomputer Applications Vol.39,No.9,2023文章编号：10 0 7-7 57 X(2023)09-0219-03开发应用基于VSG技术的微电网虚拟惯性控制策略微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第9 期贾杰，任伟（国网呼伦贝尔供电公司，内蒙古，呼伦贝尔0 2 10 0 8）摘要：虚拟同步发电机（VSG)算法在增强惯性和增强电力系统稳定性的同时会产生强耦合和低精度的问题。对此，基于传统VSG技术提出了一种新型虚拟惯性控制策略。分析了虚拟惯性原理与储能控制算法之间的兼容问题，以及交流侧的频率响应特性，得到结论：通过储能装置和并网逆变器产生的虚拟惯性可更直接更准确地调节交流频率。新型虚拟惯性控制方案包含了附加下垂特性、储能装置特定控制和功率给定算法，使系统能在多扰动下主动提供虚拟惯性支持。仿真结果验证了新方案的有效性。关键词：微电网；逆变器；虚拟惯性；储能装置；稳定性中图分类号：TM46Virtual Inertial Control Strategy of Microgrid Based on VSG TechnologyAbstract:The virtual synchronous generator(VSG)algorithm still has the problems of strong coupling and low precision whilebringing inertia and enhancing the stability of the power system.In this regard,based on the traditional VSG technology,a no-vel virtual inertial control strategy is proposed.The compatibility between the virtual inertia principle and the energy storagecontrol algorithm and the frequency response characteristics of the alternating current side are analyzed.It is concluded that thevirtual inertia generated by the energy storage device and the grid-connected inverter can adjust the alternating current frequencymore directly and accurately.The new virtual inertial control scheme includes additional droop characteristics,energy storagedevice specific control and power reference algorithm,so that the system can actively provide virtual inertia support under mul-tiple disturbances operation.The simulation results verify the effectiveness of the new scheme.Key words:micro-grid;inverter;virtual inertia;energy storage device;stability0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1.1VSG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文献标志码：AJIA Jie,RENWei(State Grid Hulunbuirbower Supply Company,Hulunbuir 021008,China)ude和idc，LCL滤波器的参数分别为Ls1、Rs 1、Ls 2、Rs 2、C。和Rs3。VSG 输出相电流为igk，下标“k为a、b 和c。逆变器eabeSVPWMuin电流环模块Vgabe igabe图1VSG的拓扑结构框图图1中的VSG数学模型可描述为P*+D,(-)-P=JadedtQ:+D,(V-V)-Q=KdtwdtRs333C虚拟阻抗-igabcumVSG算法计算oeRs3P功率(1)作者简介：贾杰（197 3一），男，本科，工程师，研究方向为电力技术；任伟（197 4一），男，本科，工程师，研究方向为电力技术。.219Microcomputer Applications Vol.39,No.9,2023其中,P*和Q*为有功和无功功率指令值,D，和D。是P一f和Q一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，*和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，0 是虚拟转子位置角。当交流负载突然增加时，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。A0*脉冲(PI)1(PI)2Psc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：P=D,w +Ps e(w)其中,Ps.是超级电容输出功率。忽略外环PI调节器的积分可得：Pse(w)*=(PI)(w*-)k i(w*-w)(3)其中,ki是(PI)调节器的比例系数。将式(3)代入式（2)，可得：P=D w+k i(w*-w)然后，式（4)可简化为如下形式：Aa=APkiAD,-ki因为和ki*远小于P,式（5)的约束可简化为如下形式：P (D,-k i)基于P一f下垂特性，有：D,一会APmxAwmax其中，Pmax是有功功率的最大调节范围，wmax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P 0.1XAwmax由于P远大于0.1Pmax/w m a x，因此P与一0.1ki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。当ki取一kD，时，式（5)可简化为Aa=APatkDaAP(k+1)D,(k+1)D,=(k+1)其中，是VSG承担不平衡功率时的电角速度差。式（9)中，ki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*。如果将图2 中的控制结构改变为滞环控制方法，则系统开发应用只能在额定工作频率点附近运行。当VSG下垂起作用时，o 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Pt制在合理范围内，可确保系统不会失控。此外，设计了VSG信号的附加下垂特性，如图3所示。在图3中，Pgmax和wgmax是附加下垂特性的设定范围，可用于设计功率增量系数kap。由图3可得附加下垂特性表达式为P=kAPPXAwAagmax4APg(2)APgmax-Aag max-Pgmax(4)图3附加下垂特性将附加下垂特性代人VSG有功功率回路：(5)e Aa)+D,(o-w)-P=JaP*(1+Nwgmax进一步将式(11)简化为(6)(p=+D,)-P=JadaP*+Agmax(7)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一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(Pmx-kl)(8)Aa(9)220微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第9 期(10)-Aogmax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MAT-LAB/Simulink仿真平台开展仿真研究，仿真系统参数如表1所示。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=3.6s时建立好直流电压，在t=4s时，VSG处于无负载运行状态，然后风速增加，在t=5.5s时突加交流负载，紧接着t=6s时，储能装置投人。待系统稳定至t=11s时，交流负载突加1kW。仿真中设置a*为0。dadt(11)dt(12)Microcomputer Applications Vol.39,No.9,2023直流母线电压Ude滤波器电感Ls1滤波器电感Ls3滤波器电感C2超级电容容值C超级电容初始电压Usco超级电容等效电阻Rsc开关频率于sw给定有功功率参考值P*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，降至313.53rad/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4s是VSG空载建压过程，t=4s至5.5s是314.4314.2314.0313.8313.6F313.457（a）交流侧电角速度（不采用新型控制策略）(s/pe)/0上年电1400120010008006004002000（c）发电机转子速度（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。1刘尧，陈建福，侯小超，等.基于自适应虚拟惯性的微电网动态频率稳定控制策略J.电力系统自动化，2018,42(9):75-82.2 朱永强，唐其.交直流混合微电网可靠性影响因素分开发应用表1仿真系统主要参数参数数值600V3.2 mH0.8 mH10uF12.5 F80V0.28210 kHz5kW911时间/s510时间t/s图4突加交流负载时的仿真结果3郭雅娟，陈锦铭，何红玉，等.交直流混合微电网接入分布式新能源的关键技术研究综述 J.电力建设，2017,38(3):9-18.4苏勋文，徐殿国，杨荣峰，等.双馈风电机组MPPT动态功率特性分析 J.电源学报，2 0 17 15（3）：156-16 2.5武剑，薛玉石，山春凤，等.基于相电流工频变化量极性的微电网纵联保护方案 J.微型电脑应用，2 0 2 2，38(9):117-120.6 安江，陈泰屹.基于BPPN的微电网通信WSN链路质量预测 JI.微型电脑应用，2 0 2 0，36（6）：8 6-8 9.参考文献7 周天沛，孙伟.高渗透率下变速风力机组虚拟惯性控制的研究 J.中国电机工程学报，2 0 17,37（2）：48 6-496.8陈秉乾，庄圣贤.基于虚拟同步机的微网逆变器并网技术研究 J.电力电子技术，2 0 17,51（3）：39-42.（收稿日期：2 0 2 1-0 9-2 8）221微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第9 期参数有功闭环惯性系数J无功闭环惯性系数KP-f下垂系数DpQ-V下垂系数Da风能利用系数Cp风轮扫掠面积A叶轮直径R空气密度发电机效率nVSG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=9s时进入到稳态，在t=11s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1kW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。(s/pe)/0率314.5314.4F314.3314.2314.1314.05131515数值0.058kgm26.5As15903200.3413.6 m3.4m1.25 kg/m20.773179（b）交流侧电角速度（采用新型控制策略）15001000500F0-50050（d）储能装置输出功率（采用新型控制策略）析 J.智慧电力，2 0 18,46（4）：11-15.11时间t/s510时间t/s131515