基于虚拟同步发电机技术运行控制策略的研究

基于虚拟同步发电机技术运行控制策略的研究
梁亚波;郭树锋
【摘要】针对传统一次调频和二次调频无法实现光伏发电系统频率的无差调节问题,借鉴传统同步发电机控制原理,通过调速器及励磁调节器完成频率调节的方法,设计了一种改进型的虚拟同步机调速器系统,并对其控制策略进行了仿真验证.结果表明:该控制策略实现了光伏发电频率的无差调节,达到稳定运行的目的.
【期刊名称】《宁夏电力》
【年(卷),期】2017(000)004
【总页数】4页(P11-14)
【关键词】虚拟同步发电机;运行控制;光伏发电
【作者】梁亚波;郭树锋
【作者单位】国网宁夏电力公司电力科学研究院,宁夏银川750011;国网青海电力公司经济技术研究院,青海西宁810000
【正文语种】中文
【中图分类】TM761.2
微电网控制系统中，光伏并网逆变器的控制以最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制方式为主，保持光伏最大限度的利用，但对频率的调节特性较差，影响电网的安全稳定运行。

文献［3］提出了基于同步旋转坐标变换实现光伏阵列最大功率跟踪与电流控制的三相光伏并网控制系统的方案，主要原理是应用PI调节器使得光伏阵列输出电压工作在最大功率工作点；文献［4］总结
和对比了各种光伏发电MPPT控制策略。

上述各种光伏发电控制系统方案中，均
将光伏发电系统看做电流源，其出力特性决定了输出功率波动性较大，与一次调频和二次调频控制结果类似，不能有效地参与电网频率调节，无法实现频率的无差调节，对电网稳定运行造成威胁。

（1）随着光伏发电系统输出的有功功率的变化，一次调频控制无法实现频率有效调节，且不能维持在额定水平，需要解决输出有功功率的变化造成频率变化的问题［5］。

（2）需要解决二次调频控制无法实现光伏系统输出的有功功率变化后频率的实时跟踪调节问题［6］。

本文对传统同步发电机控制系统中的调速器及励磁调节器进行研究分析，设计出基于传统同步发电机控制系统的虚拟同步发电机的控制系统。

虚拟同步发电机（VSG）的运行控制系统如图1所示。

当电网系统负荷发生变化时，此时传统同步发电机
的输出频率也将随之发生变化，调速器调节测量的输出频率与给定频率值的差值，输出调节后用来调节汽轮机汽门的开度，以此来减小或增加原动机的机械功率输出，最终同步发电机的输出功率与系统负荷相等［7］。

典型的传统同步发电机控制原理见图2。

传统同步发电机机械功率输出大小由汽门开度（由蒸汽容积效应改变）来决定，相对变化较为缓慢，存在一定时间滞后
［8-11］。

虚拟同步发电机中模拟的机械功率可以直接快速调节［12-15］（配置一定的储能装置），代替图2中的原动机和发电机来实现对输出功率的调节，具体控制结构
如图3所示。

在分散式调频中的PI调节过程中，一般相应的参数比较难于选取，同时存在因负
荷变化过大而导致超调问题，以及采用集中式二次调频速度较慢等问题［16］。

本节针对系统负荷变化时频率调节的有差性，同时由于虚拟同步发电机主要硬件为
电力电子设备，考虑到快速响应的特性，设计一种改进型的功频控制器。

根据调速器控制原理，如果参考值设定固定时候，将会存在实际负荷值与参考值的差值。

因此，虚拟同步发电机也存在输出有功功率与参考有功功率的差值，只简单改变调频系数，只能改变其差值的大小，而不能消除掉差值。

为此，根据调速器特点，设计一种可以使调频系数根据系统负荷变化自动进行调整的方案。

图4为改进型调节的功频曲线。

图4中，初始运行状态A对应的功频曲线1的斜率方程［17］可表示为
式中：kω—曲线1的斜率；
F0—有功功率为零时的频率值；
Fref—参考频率；
Pref—曲线1中fref对应有功功率。

改进型功频控制方法可以使虚拟同步发电机在运行过程中由功频曲线1工作运行状态过渡到功频曲线2工作状态，这样可以保证虚拟同步发电机的输出有功与系统负荷有功相等，让实际频率与参考频率实时保持一致。

其曲线斜率方程［17］如式（2）所示。

式中：kω—曲线2的斜率；
Pm—曲线2中fref对应有功功率。

斜率与初始状态斜率之间的关系与频率控制方程［18-19］分别见式（3）和式（4）。

由上述研究可知，当系统运行在A点初始状态时，系统频率为参考频率，而虚拟同步发电机输出值为参考有功功率。

2.3.1 仿真条件
在MATLAB中搭建一个有功功率输出为3 MW，频率为50 Hz的光伏发电系统。

采用改进型功频控制器，其原理见图5。

虚拟同步发电机的输出功率随着系统负荷增大而增大，调频系数也随功频曲线1向曲线2移动而增大，直到VSG输出功率值与系统负荷值相等，此时系统将运行C点稳定状态，而系统频率值维持不变。

采用改进型功频器的虚拟同步发电机在运行过程中，可以根据实际运行情况实时调节功频曲线，这样就可以使得光伏发电系统在并网点均保持在参考频率下运行，从而实现频率无差控制。

2.3.2 仿真结果
将一次调频、二次调频和本文所设计的自适应调频结果进行对比，仿真结果对比如图6（a）和图6（b）所示。

由图6（a）和图6（b）可以看出：
（1）在0.18 s到0.22 s时段，输出功率从3 MW降至2 MW，一次调频在0.2 s到0.23 s时段，频率稳定在50.18 Hz，0.23 s到0.4 s时段，频率维持在50.18 Hz，0.35 s到0.37 s时段，功率从2 MW升至5 MW，频率从50.18 Hz降至49.65 Hz。

（2）二次调频控制器在0.2 s到0.24 s时段，频率有突变，在0.22 s时段，达到最大值50.13 Hz，在0.24 s到0.4 s时段，频率维持在50 Hz，在0.35 s到0.37 s时段，功率从2 MW升至5 MW，频率从50 Hz降至49.62 Hz，经过0.04 s 恢复至50 Hz。

（3）在0.18 s至0.37 s时段输出功率的变化过程中，改进型控制器的频率几乎没有变化，维持在50 Hz。

（1）仿真结果表明，在0.18 s到0.2 s时段，光伏发电系统有功功率输出骤降，0.35 s到0.37 s时段有功功率输出骤升时，自适应调节控制策略频率不受有功变化影响，持续保持在50 Hz。

本文所提控制策略解决了光伏发电系统频率的无差调节问题。

（2）自适应调节控制实现了输出有功功率的变化不影响频率变化，且能保证频率
在额定频率50 Hz，解决了一次调频存在频率随着光伏发电系统有功输出变化而变化的问题。

（3）在光伏发电系统输出有功功率发生变化时，自适应调节控制的频率可实时保持在额定频率（50 Hz），解决了二次调频无法时时跟踪系统频率的问题。

（1）当光伏有功输出发生变化时，采用传统一、二次调频控制策略存在系统频率突变现象，而且频率波动随系统有功输出的突变量的增大而增大。

无论光伏发电系统功率怎样骤变，自适应调节控制都可实现系统频率实时维持在额定频率。

（2）通过3种频率调节控制策略的对比分析可知，采用改进型（自适应）功频调节的虚拟同步发电机系统调节，频率可以实现跟踪参考频率，远远优于传统控制策略，并可实现光伏发电的频率无差调节。

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