基于虚拟同步机控制的光伏发电带负载控制.pdf

电工材料 2023 No.4尹飞洋等：基于虚拟同步机控制的光伏发电带负载控制基于虚拟同步机控制的光伏发电带负载控制尹飞洋，邵帅虎，李海金（安徽工业大学 能源与环境学院，安徽马鞍山 243002）摘要：本研究提出了以光伏电源代替直流电源的虚拟同步机控制策略，前级通过设置BOOST升压电路将光伏电池输出电压升高，经过后级逆变器将直流电转化为交流电带负载运行。BOOST电路采用最大功率点跟踪控制（采用基于电导增量法的MPPT控制），以此获得光伏最大出力使输出保持在最大功率点，从而最大化利用太阳能。仿真结果表明，设计的光伏虚拟同步机可以模拟实际同步发电机的特性，并且相比于下垂控制为系统提供了惯性和阻尼，进一步验证了所提控制策略的有效性。关键词：虚拟同步机；微电网；分布式光伏；虚拟惯性和阻尼；离网运行中图分类号：TM341 DOI：10.16786/ki.1671-8887.eem.2023.04.015Load Control of Photovoltaic Power Generation Belt Based on Virtual Synchronous MachineYIN Feiyang,SHAO Shuaihu,LI Haijin(Anhui University of Technology,Anhui Maanshan 243002,China)Abstract:In this paper,the control strategy of virtual synchronous machine is proposed to replace DC power with PV power.The output voltage of PV cell is increased by setting the BOOST circuit in the front stage,and the DC power is converted into AC power with load operation by the inverter in the rear stage.BOOST circuit adopts the maximum power point tracking control(MPPT control based on the conductivity increment method is adopted in this paper),so as to obtain the maximum photovoltaic output and keep the output at the maximum power point,so as to maximize the utilization of solar energy.The simulation results show that the designed PV virtual synchronous machine can simulate the characteristics of the actual synchronous generator,and provides inertia and damping for the system compared with sagging control,which further verifies the effectiveness of the proposed control strategy.Key words:virtual synchronous machine;microgrid;distributed photovoltaic;virtual inertia and damping;off-grid operation0引言能源在当今社会发展中起着推动的作用，电力作为清洁高效的能源形式关乎国计民生1。传统火力发电已然不能满足当今社会发展需求，为应对能源危机和环境压力2，新能源发电应运而生，其中风能、太阳能、潮汐能备受关注。光伏发电作为新能源发电的重要形式，在构建清洁、可持续发展的能源供应系统中扮演着极为重要的角色。然而，分布式光伏电源通常采用电力电子逆变器接入电网，相较于传统同步发电机发电设备而言，电力电子器件具有控制灵敏，响应迅速等优点，但也存在以下不足：非线性特性明显，系统惯性和阻尼无法保障。传统同步发电机可以安全稳定地与大电网并网，若依据常规电网系统的运行方式，使并网逆变器模拟出同步发电机的运行特性，则可以实现分布式电源友好接入大电网1,3,4，并提高电力系统的稳定性。为此国内外学者提出了虚拟同步机（VSG）技术5。VSG由于具备同步发电机的优点而备受研究人员的青睐，其在现代电力系统中的应用也将愈来愈广泛6。虚拟同步机拓扑及控制结构主要针对直流侧为储能电池的情形，并假定直流侧作者简介：通信作者：邵帅虎（1995-），男（汉族），河南内黄人，硕士，主要从事分布式能源的研究。收稿日期：2023-02-1357电工材料 2023 No.4尹飞洋等：基于虚拟同步机控制的光伏发电带负载控制以“电压恒定，容量无限”的动力源模拟虚拟原动机1。传统的VSG直流源端主要针对储能电池7，即理想化了真正的光伏电池作为源端。通常，分布式光伏出力极易受外界因素所干扰8，具有较强的随机性、波动性和有限性9。因此，传统VSG应用范围有限，较难适用于分布式光伏接入。鉴于此，本研究基于虚拟同步机技术，针对分布式光伏电源，通过分析光伏电源的动态特性，考虑光伏电源的波动性和有限性，提出计及光伏电源的虚拟同步机控制策略。实现了光伏直接接入逆变器带负载运行，并对多种工况进行仿真，以及与下垂控制对比验证分析，验证了所提方法的有效性。1光伏虚拟同步机硬件介绍1.1系统结构光伏虚拟同步机的基本结构如图1所示10，前级通过BOOST变换器控制发电单元直流母线的电压，后级逆变器控制实现直流到交流的电能变换。1.2前级DC-DC电路控制方法前级 BOOST 变换器用于实现最大功率点控制，将光伏板发出的不稳定端电压升高以供后级逆变器使用3。BOOST 变换器的输出端电压大于输入端电压，并且无论开关管处于何种状态，光伏阵列都可以持续输出功率11。电路图如图2所示。2虚拟同步发电机基本原理根据分布式电源分层控制原理3，将VSG控制分为调制层、控制层和功能层1，其中，调制层为PWM调制；控制层采用电压电流双闭环PI控制；功能层是逆变器实现 VSG 控制的核心算法。如图 3所示。2.1有功-频率控制在简化系统且不影响分析的情况下，假设极对数为1，此时机械角速度和电角速度相等，转子运动方程可表示为 Jddt=Tm-Te-D=Pm0-Pe0-D()-0ddt=-0（1）式中：0、分别为额定角速度和实际转子角速度；Tm、Te分别为机械转矩和电磁转矩；Pm、Pe分别为机械功率和电磁功率；D为阻尼系数；J为转动惯量；为功角。为了能够精确地模拟出同步发电机特性12，将原动机调节方程加入到频率控制中，其方程如下：Pm=Pref+K(0-)（2）式中：Pref为给定有功功率；K为调差系数。由式（1）、（2）可以得到工频调节器的流程框图如图 4所示。联立式（1）、（2）可得式（3）、（4）。-0Pref-P=1J0s+D0+K=-mPs+1（3）=J0D0+KmP=1D0+K（4）式中：P为输出有功；、mP分别为惯性时间常数和有功频率下垂系数。可见，通过式（1）逆变器可模拟同步发电机转图1PV-VSG硬件结构图2boost电路图图3PV-VSG整体结构图4工频调节器流程框图58电工材料 2023 No.4尹飞洋等：基于虚拟同步机控制的光伏发电带负载控制子运动方程，通过式（2）逆变器可模拟原动机调节，通过式（3）、（4）逆变器可模拟一次调频特性3。2.2无功-电压控制通过无功电压下垂关系12可得 VSG给定输出电压Uref，其表达式为：Uref=UN+mQ(Qref-Q)（5）式中：UN为额定电压；mQ为无功电压下垂系数；Qref、Q分别为给定无功功率和输出无功功率。由式（2）可以得到电压调节器的流程图5如示。为了近似模拟同步发电机的基本特性13且不引入复杂的同步发电机暂态过程，本模型采用经典2阶方程：udref=-RVid-LVdiddt+LViq+Urefuqref=-RViq-LVdiqdt+LVid+0（6）同时，式（6）为表达虚拟阻抗的给定电压表达式。通过对同步电阻RV和同步电抗LV的调节，来实现对虚拟阻抗的调节。总之，VSG的控制思想就是在同步发电机模型的基础上加上频率控制和电压控制，在稳定频率和电压的同时，通过模拟转子惯性来实现对独立微电网频率的稳定性控制2。3VSG系统仿真建模与分析在MATLAB/SIMULINK仿真平台搭建仿真模型，并且后续仿真结果证明所提控制策略的可行性。3.1VSG系统仿真建模本研究光伏电池参数是选择系统默认最大功率 213.15 W 的电池模型，选择 613 块光伏板串并联，光照强度设置为1000，温度设置为25。给定参考有功功率设置为 10 kW，无功功率 1000 Var。系统基本参数如表1所示。3.2VSG系统仿真分析图6为稳定负载下的光伏电池电压输出曲线，输出电压高达870 V，以便为系统提供持续稳定的直流输入。3.2.1恒定负载工况分析对系统在恒定负载工况下的输出三相电压电流波形、励磁电压波形、输出有功无功功率波形和系统电压频率波形进行分析，恒定负载参数为有功功率 P=10 kW，无功功率 Q=1000 Var，仿真结果如图7图10。由图分析可知，系统输出的有功可以稳定跟随负载需要，系统内部励磁参考能够维持稳定，给输出电压提供恒定的参考值，输出三相电压能够稳定图5电压调节器表1虚拟同步机仿真参数参数逆变器侧电感Lf/mH逆变器侧电容Cf/uF交流母线电压UPCC/V系统频率f/Hz有功下垂系数m无功下垂系数n数值320220504774.650.02参数初始虚拟惯量J0/（kgm2）初始阻尼系数D0/（Nms/rad）开关频率fc/kHz给定有功功率Pref/kw给定无功功率Qref/Var直流端电压Udc/V数值0.21020101000870注：直流端电压为光伏电池输出端测量的结果。图6光伏电池输出电压波形图7稳态输出三相电压电流波形59电工材料 2023 No.4尹飞洋等：基于虚拟同步机控制的光伏发电带负载控制跟随给定输出，发出稳定的三相正弦波。由于内部电枢电阻与同步电抗14的存在，励磁电势在幅值上比输出三相电压略高，系统输出电压频率基本稳定在参考值附近，存在少许误差，误差在允许范围内。由图11和图12分析电压电流的谐波失真率THD，均满足系统要求。3.2.2动态负载工况分析设定仿真中负载突变，分别在 0.5 s 投入有功 5 kW，无功500 Var的负荷，1秒后切除负荷，观察设计的控制策略对系统动态情况下的表现。仿真结果如图13图15。0.5 s负荷投入，电压并没有太大的波动，电流迅速进行调节上升并维持新的稳定，电流的增大导致内部压降略有增加，因此输出电压峰值有所下降。输出功率能够迅速跟随至参考值，并维持新的图11输出电压THD分析图12输出电流THD分析图13暂态输出电压电流波形图14暂态输出有功无功曲线图15暂态输出频率曲线图8稳态输出励磁电压图9稳态输出频率曲线图10稳态输出有功无功曲线60电工材料 2023 No.4尹飞洋等：基于虚拟同步机控制的光伏发电带负载控制稳定。根据系统的下垂特性7,15,16，分析系统的功频特性可知，有功功率在负荷投入时增加17，相应的系统频率会下降，但很快稳定于新的频率指令。同时分析电压THD可知，电压谐波在要求范围之内，满足要求。同理，在1 s负荷切除时，功率参考相应减少，系统的频率继而回升稳定于50 Hz。3.2.3转动惯量与阻尼系数对系统频率的影响在负荷变化时，输出功率随之变化，根据有功频率关系4，系统频率随之发生变化。与电力电子设备频率变化突变不同1,2的是，虚拟同步机控制模拟了传统同步机转动惯量的特点9，因此在惯性作用下，频率不会发生突变，而是呈缓坡下降趋势。转动惯量的取值，直接决定了系统惯性的大小，即直接决定系统频率的变化率大小。通过合理设置转动惯量，可以使频率平稳光滑变动，下面设置不同的转动惯量进行仿真，验证该参数对频率的影响。如图 17所示，转动惯量依次取 0.01 kgm2，0.2 kgm2，1 kgm2。仿真在0.5 s时，负载突增到有功15 kW，无功1000 Var。由图17可知，转动惯量越大，频率变换越平缓，但是对应的动态响应速度有所下降18，通过仿真实验，模拟出了真实同步机的惯性特点，而电力电子设备不具有惯性1，在一些负荷频繁投切的场合，对系统安全构成威胁，而虚拟同步机则可以通过对转动惯量的调节，达成小范围频率波动的抑制效果19，从而使系统维持稳定工作。虚拟同步机在负荷投切后，响应的输出功率会有所增减，由有功频率特性可知，阻尼系数D的取值影响的是频率稳态值9。下面设置不同阻尼系数进行仿真，验证其对频率的影响。如图18所示，阻尼系数依次取5、10、15三个值。在0.5 s时，负载突增到有功15 kW，无功1000 Var。由图18可知，当系统设置的阻尼系数较小时，逆变器输出的频率跌落得较大，当阻尼系数较大时，频率跌落较小。不同阻尼系数D下逆变器输出频率有所不同，可以得出逆变器的调频特性与同步机的频率响应特性相同。因此可以实现模拟同步发电机的有功频率特性。4与下垂控制策略对比分析为比较VSG控制与下垂控制的区别，同时搭建了下垂控制策略下的逆变器输出有功和频率，基本参数与上文VSG控制相同，并将二者波形汇总到一张图上进行对比分析。如图19、图20所示。由图19可以看出，VSG输出功率与下垂控制输出功率波形基本重合，在 0.5 s 处，可以细微看出VSG波形变换较为平缓，由此看出VSG控制优于传统下垂控制，可以实现逆变器的动态稳定输出，且能模拟同步机特性。由图20可以明显看出，下垂控制下的频率输出在负载突变时，频率也跟着突变，这对微电网系统是很不友好的；相比之下，VSG控制具有较好的系图16暂态输出电压THD分析图17不同J下系统频率的动态响应图18不同D下系统频率的稳态值图19有功功率输出波形对比61电工材料 2023 No.4尹飞洋等：基于虚拟同步机控制的光伏发电带负载控制统惯性，波形变化平缓。从1 s负载突增可以看出，下垂控制下的频率输出波形有明显的超调，而VSG则平缓上升变化。并且整体来看，VSG控制在负载频繁投切的过程中频率跌落相比下垂控制小很多。5结论基于虚拟同步机控制技术研究了一种以光伏为源端的分布式电源逆变器控制策略，增加了系统的阻尼及惯性，使逆变器控制灵敏、响应迅速的同时还能够对系统造成较小的干扰。并且通过搭建MATLAB/SIMULINK仿真模型，模拟了同步电机的相关特性，通过对仿真结果的分析，验证了所提虚拟同步机控制策略能够在不同工况下稳定运行，可以有效模拟同步电机的频率调节和转动惯量的特点。并与下垂控制进行仿真结果比较，证明了在频繁功率波动的工况下，虚拟同步机的惯性及阻尼具有明显的优势，其对系统造成的干扰更小，使系统更加稳定地运行。参考文献：1 郑天文,陈来军,陈天一,等.虚拟同步发电机技术及展望J.电力系统自动化,2015,39(21):165-75.2 郑天文,陈来军,刘炜,等.考虑源端动态特性的光伏虚拟同步机多模式运行控制J.中国电机工程学报,2017,37(2):454-64.3 石荣亮,张兴,徐海珍,等.基于虚拟同步发电机的多能互补孤立型微网运行控制策略J.电力系统自动化,2016,40(18):32-40.4 丁明,杨向真,苏建徽.基于虚拟同步发电机思想的微电网逆变电源控制策略J.电力系统自动化,2009,33(8):89-93.5 YANG S,FANG J,TANG Y,et al.Modular multilevel converter synthetic inertia-based frequency support for medium-voltage microgridsJ.IEEE Transactions on Industrial 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