虚拟同步发电机的并联控制策略研究

虚拟同步发电机的并联控制策略研究作者：王亚楠晏鹏博
来源：《现代信息科技》2020年第14期
摘要：针对基于虚拟同步发电机运行的逆变器并联控制策略进行研究，分析了微电网中逆变器并联功率分配机理。

将传统电力系统中的集中控制方式引入微电网逆变电源中，使逆变器具有同步发电机的大惯量特性，且各并联逆变器输出电压一致，有功功率和无功功率按额定
容量比精确分配，并保证并联逆变器具有良好的动态和静态特性。

最后通过仿真验证了所提出控制策略的可行性。

关键词：虚拟同步发电机;逆变器并联;集中式控制方式;功率分配
Abstract：The parallel control strategy of inverters based on virtual synchronous generator operation is studied，and the parallel power distribution mechanism of inverters in microgrid is analyzed. The centralized control method of traditional power system is introduced into the microgrid inverter power supply，which makes the inverter have the characteristics of large inertia of synchronous generator，the output voltage of each parallel inverter is consistent，the active power and reactive power are accurately distributed according to the rated capacity ratio，and the parallel inverter has good dynamic and static characteristics. Finally，the feasibility of the proposed control strategy is verified by simulation.
Keywords：virtual synchronous generator;parallel inverters;centralized control mode;power distribution
0 引言
虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator，VSG）多台并联功率控制方法中，微电网既对功率调度单元进行功率控制，又对调频调压单元的电网动态调整，还具有一定鲁棒性，并能减少电源设计参数、非线性负荷以及连接阻抗对系统稳定性的影响。

如何有效、精确地调节各台VSG间的功率输出成为当前的研究重点。

文献[1]提出一种微电网电源的虚拟惯性频率控制策略，通过提高阻尼比来抑制多机并联时的系统振荡问题，实现两台VSG的并联运行，但由于阻尼比系数、惯性时间常数以及调差系数的耦合性较强，给参数设计带来一定的困难，并且系统整体稳定性还有待考究。

文献[2]设计了一次调压和二次调压相结合的电压控制策略，提出一种新的电压计算方法，说明VSG的同步电抗可以有效提高无功功率在各逆变器间的分配精度，但未对同步电抗做定量分析。

文献[3]针对一种包含电压电流环的功率下垂控制器，通过重新设计其等效输出阻抗，提出的功率控制方法可使无功功率分配不受输出阻抗变化的影响，并使等效输出阻抗的幅频特性在工频内输出呈感性、在高频内呈阻性，以此来满足下垂方程并实现谐波抑制。

文献[4]针对传统的逆变器并联控制存在的问题，在无功电压下垂环节提出一种电压恢复调整控制策略，当负载功率变化时，通过电压恢复控制不断调整母线电压，使得逆变器输出母线电压相同，提高不同容量逆变器并联时系统无功功率的分配精度。

文献[5]分析了影响逆变器输出阻抗的各种因素以及输出阻抗的不同对不同逆变器功率分配精度的影响，并引入虚拟阻抗;通过对虚拟阻抗的设计，使得逆变器等效输出阻抗得到控制，在逆变器并联时功率分配有了较大的改善。

文献[6]针对逆变器并联存在的问题提出一种VSG算法，在有功下垂环节采用同步发电机的转子运动方程来调节逆变器输出的频率，在无功电压下垂环节采用比例积分调节器（PI）对电压进行修正，仿真实验验证了提出算法的可行性。

文献[7]详细分析了将传统电力系统中的集中式频率控制引入微电网的可能性，还指出了分散式频
率控制存在的问题，但对VSG不能改变逆变电源过流能力和抗冲击能力差的问题没有提出解决方法。

本文基于陕西省教育厅科研计划项目（新能源电站接口特性的研究），分析了微电网中逆变器并联功率分配机理，提出一种集中控制方式来实现2台VSG的并联控制。

有功频率环节采用电力系統中的集中式频率控制策略，无功电压环节采用Q-U下垂控制策略。

通过专门设置公共的同步及均流模块，可以实现各模块的锁相环电路输出电压的频率、相位与同步信号的一致，以此增强并联逆变器的动态性能。

最后通过仿真验证控制策略的可行性。

1 虚拟同步发电机数学模型
VSG算法是采用同步发电机的二阶数学模型，模拟同步发电机的大阻抗、大惯性、自同步等优点，使逆变器具有同步发电机的输出特性。

假设励磁和机械转矩均恒定，采用标幺制法计算同步发电机的二阶数学模型如式（1）：
式（1）（2）中：、分别为d、q坐标系下的同步电抗id、iq分别为d、q坐标系下的电流值;ud、uq分别为d、q坐标系下的电压值;、分别为d、q坐标系下的感应电动势;Tm为机械转矩;Te为电磁转矩;D为定常阻尼系数;ω为实际角速度;J为转动惯量;θ为电角度; 为定子端电压; 为定子端感应电动势; 为定子电流;ra为定子电枢电阻。

2 逆变器并联原理
逆变器可等效为一个有内阻的电压源，则逆变器并联模型如图1所示。

其中UA、UB为逆变器A和B的输出电压;U为母线电压;UA∠φA、UB∠φB为逆变器A、B的输出电压，其中φA、φB为逆变器A、B的输出电压相位;Rn为输出阻抗;jXn为连线阻抗（n=A，B）。

3 集中控制方式
3.1 逆变器并联集中控制方法
集中控制方式的控制框图如图2所示，其中uref为输入电压参考值;u*为逆变器输入电压;f*为逆变器输入频率;ig为负载电流的1/2;iinvA、iinvB为逆变器A、B的输出电流;f为输出频率;VR为电压调节器;PLL为锁相环。

该控制方法需要专门设置公共的同步及均流模块，可以实现各模块的锁相环电路输出电压的频率、相位与同步信号的一致。

在各模块输出电压相位差很小的情况下，可近似认为各模块输出电流与基准电流之间的误差是各模块输出电压的幅值差引起的，故根据输出电流误差修正各模块基准电压的幅值，可以达到各模块输出电流相同的目的。

3.2 集中式频率控制方法
在电力系统中，系统频率调节共有一次、二次和三次调频三种形式，其中发电单元可分为非调频发电单元、调频单元和不可调度单元。

假设已获取各发电单元的功率调度指令，故不考虑三次调频。

微电网集中式频率控制方法的控制框图如图3所示，该系统是由一台非调频发电单元和一台调频单元构成，其中Pbp
（p=A，B）为第p个单元的基点有功功率;Pinvp（p=A，B）为第p台逆变器的输出有功功率;Δfinvp（p=A，B）为第p个单元的频率偏差;Tf为额定周期; 为有功功率参考值。

频率调节器根据Δf得到计划外有功功率，该有功功率叠加基点有功功率后给调频单元执行，实现二次调频。

非调频发电单元在稳态时按照基点有功功率发电，动态时参与频率调节，减轻调频机组的负担，稳定系统频率的变化。

3.3 励磁电压控制方法
为了更好地模拟同步发电机以及在多机并联时更好地分配功率，本文采用Q-U的下垂特性来调节。

VSG的励磁电压控制器如图4所示。

经过测量单元可得到发电机端电压Ufed，Ufed与调差环节计算的参考电压uref进行比较，其中Uref=UN+n·（QN-Qfed）。

UN为发电机的空载端电压幅值;QN为发电机额定无功功率;E为电压调节器的输出励磁电压。

机组的无功-电压下垂系数n=-ΔU/ΔQ，反映无功功率的增量与发电机端电压偏差的关系。

4 仿真结果与分析
微电网的仿真模型如图2所示，采用图3和图4的控制方法对其进行控制。

仿真参数：直流侧电压Udc=650 V，转动惯量J=0.092 3 kg·m2，有功下垂系数m=0.000 025，无功下垂系数n=0.000 700，电枢绕组ra=0.5 Ω，同步电抗 = 0.2 mH，LC滤波参数分别为2 mH和20 μF，
P1、P2、P为逆变器A、B和两台逆变器的有功功率，Q1、Q2、Q为逆变器A、B和两台逆变器的无功功率。

仿真过程如下：
（1）相同容量的2台VSG并联仿真步骤，且2台VSG按照功率均分分配功率运行：
1）在t=0 s时，负载有功功率5 kW，无功功率2 000 var;
2）在t=0.3 s时，增加一倍负载，有功功率增加5 kW，无功功率增加4 000 var;
3）在t=0.7 s时，切除增加的负载。

仿真结果如图5所示。

图5中（a）和（b）分别表示不同的有功功率负载和无功功率负载在相同容量的2台VSG 并联时的功率分配情况，由图可知，本文提出的控制策略在相同容量2台VSG并联运行时，可以实现功率均分，验证了所提出控制策略的可行性。

（2）不同容量2台VSG并联的仿真步骤，且2台VSG功率按照2：1精确分配运行：
1）在t=0.00 s时，负载有功功率18 kW，无功功率3 000 var;
2）在t=0.15 s时，增加一倍负载，有功功率增加36 kW，无功功率增加6 000 var。

仿真结果如图6所示。

图6中（a）、（b）和（c）分别表示不同的有功功率负载和无功功率负载在不同容量的2台VSG并联时的功率分配情况，由图可知，本文提出的控制策略在不同容量的2台VSG并联运行时，可以实现功率按照2：1精确分配运行，验证了所提出控制策略的可行性。

5 结论
本文采用虚拟同步发电机模型用于微电网多逆变器间的功率控制，并提出了一种逆变器并联集中控制方法。

仿真结果分析表明，通过本文所提出的控制方法，可以使得并联的各台VSG输出电压一致，有功功率和无功功率按额定容量比精确分配，并保证多台VSG并联时具有良好的动态和静态特性。

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作者简介：王亚楠（1990—），女，漢族，陕西西安人，助教，硕士，研究方向：新能源与发电技术。