基于虚拟同步发电机的微电网控制方法研究

抑制电流的突变； 具有自同步功能， 接入大电网时可以被大电网拉 同步； 转动惯量大， 过载能力强 。 这些特性使其在并网发电上有独 特的优势 。 电力系统对同步发电机的各种调控控制已经相当完 善，因此本文提出了虚拟同步发电机 ( Virtual Synchronous Genera简称 VSG ) 的概念， 使逆变电源通过相应的控制， 对外表现出 tor， 同步发电机的特性，这样可以把电力系统中各种完善的理论应用 到微电网中， 解决微电网中逆变器电压 、 功率调节的技术难题 。 图 2 为虚拟同步发电机模型框图 。 假设直流侧是电压恒定的储能设 备， 并且允许能量的双向流动 。 虚拟同步发电机的算法如式 ( 1 ) 所 示， 采用同步发电机的二阶模型 [ 4 － 5 ] ， 可以有效地模拟发电机的转 子机械特性和定子电气特性 。 = Esin（ ωt + σ ） = U +I （ r + jx ） E a d (1) dΔ ωm = － = Pm － Pe Tm Te J d ωm ωm — 励磁电动势， — 定子端电压， — 定子电枢电阻， 其中： E U ra xd
图1
微电网基本结构图
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电力系统及其自动化
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图3
电压控制图
定系统电压 。其余 的逆变电源进行 功率协调控制来 满足功率平衡的 问题 。 3． 1． 1 控制 图2 虚拟同步发电机模 同步发电机 中的励磁调节系 统可维持机端电 压某点电压 水平， 并使机组间无功 功率 Q 分配达到 合理分配 。本文采 用同步发电机励 磁调节系统的原 理来设计虚拟同 步电机的电压调 节控制器 。同步发 图6 一次调频控制图 图5 一次 、 二次调频外特性曲线 电压频率 图4 频率控制图
Research on Control Methods of Microgrid Based on the Virtual Synchronous Generators
( Hefei University of Technology， Hefei Anhui 230009， China ) Zhu Dan Su Jianhui Wu Beibei Abstract: This paper introduces the appearance background of the microgrid， the concept as well as the typical structure diagram is given． The technique of traditional distributed generation system can not meet the operating requirement of microgrid， based on the synchronous generator model，a new concept of virtual synchronous generator is presented． The mature theories in power system such as the first and the second frequency regulation will be used in microgrid． The control methods in the gridconnected mode and the islanding mode are given， all these make sure that the inverter with the characteristics of synchronous generator can safely build the microgrid． The correctness and validity of the control strategies are verified by the simulation result． Keywords: microgrid regulation virtual synchronous generator gridconnected mode islanding mode the first frequency regulation the second frequency
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《电气自动化 》 2010 年第 32 卷 第 4 期
基于虚拟同步发电机的微电网控制方法研究＊
合肥工业大学 教育部光伏系统工程研究中心 ( 安徽合肥 230009 ) 摘 朱 丹 苏建徽 吴蓓蓓 要 ： 首先介绍了微电网的产生背景和意义， 给出微电网的概念和典型结构示意图 。针对传统分布式发电技术不能满足微电网运行要 求， 该文基于同步发电机的模型提出了虚拟同步发电机的概念， 将大电网中的一次调频 、 二次调频等成熟的理论知识引入到了微 电网中 ， 给出了联网运行和孤岛运行模式下微电网的控制方法，使具有同步发电机特性的逆变电源能够稳定并网 。 最后通过 MATLAB / simulink 验证了虚拟同步发电机思想及控制方法的正确性和有效性 。 关键词 ： 微电网 虚拟同步发电机 联网模式 孤岛模式 一次调频 二次调频 。 [ 中图分类号 ] TM727 [ 文献标志码 ] A [ 文章编号 ] 10003886 ( 2010 ) 04005904
网是有机整体， 该系统通过静态开关 ( Static Switch ) 和大电网相连 接， 基本单元包括微电源 、 储能装置 、 管理系统以及负荷 。 图 1 为微 电网的基本结构图， 其中 inv 为逆变电源， DS 为储能装置 。
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虚拟同步发电机模型
同步发电机是电力系统主要发电设备， 它的输出阻抗高， 可以
— 同步电抗，ω — 电角速度，J— 转动惯量，ωm — 机械角速度，Pm — 机械功率， Pe— 电磁功率 。 各变量的物理意义和同步发电机中 相应的变量相同， 设置时可参照实际电机中的参数 。
3
微电网中逆变电源的控制方法
微电网有两种工作模式： 联网运行和孤岛运行， 在这两种工作
方式下， 微电网的控制方式是不完全相同的 。 孤岛运行时， 微电网 没有电压和频率参考，要求微电网可以独立地进行电压频率控 制 。 联网运行时，要求微电网能够按照给定指令来发出或吸收一 定的有功功率或者无功功率 。 如何对微电网中的逆变电源进行合 理的控制，使微电网在任何模式下都能够满足负荷对电能质量的 要求，这是微电网能否可靠运行的关键 。 本文对这两种工作模式 下的控制方法分别进行了分析 。
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电机感应电动势幅值计算公式为： E = Ga I f ωm 制框图如下图 3 所示： 其中 Uref 为端电压给定，Igiv 为励磁电流给定， E＊ 0 为虚拟同步发电 根据电压偏差 Δ U 来调节励磁电流， 进而改变 机算法的电压给定 。 感应电动势的大小，由于控制器采用的是 PI 调节器，所以可以实 现端电压的无差控制 [ 7 ] 。 图 4 所示为频率控制图， 其中 Pgiv 为机械 功率的前馈值，P＊ m 为虚拟同步发电机算法中的机械输入功率，通 过改变同步机的输入机械功率来稳定系统频率 。 3． 1． 2 功率协调控制 电力系统频率波动的直接原因是发电机输入的机械功率和输 出电磁功率之间的不平衡 。 在大电网中， 通常要进行一次调频 、 二 次调频 、三次调频来调节负荷变化带来的系统频率变化 。 参阅文 献 [ 8 ] 可知， 一次调频是针对快速的 、 幅值较小的随机波动负荷， 它 利用发电机组的调速器的调节作用， 阻止系统频率偏离标准值 ，一 次调频是有差调节， 它不一定能保证频率偏移在允许范围内， 在这 种情况下要由发电机组的同步器来进行二次调频，实现频率的无 差控制 。 图 5 为一次调频 、 二次调频外特性曲线 。 本文将大型电力 系统中的一次调频 、 二次调频技术应用到虚拟同步发电机中 。 微电网在孤岛运行时，所有的虚拟同步发电机都可以进行一 次调频，参照同步电机的调速器和同步器的原理，我们给出了图 (2) 其中 Ga 为感应电动势系数， If 为励磁电流， ωm 为机械角速度 。 控
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引言
分布式发电技术是未来世界能源技术发展的重要方向，它具
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微电网的基本结构
微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它与大电
有污染少 、 可靠性高 、 能源利用率高 、 安装地点灵活等多方面的优 点，可以有效的解决大型集中电网中许多潜在的问题 。 但是它很 难被电力部门接受，因为数量众多的分布式电源接入现有配电网 后，传统的无源配电网络将变为包含有小型电源和负荷的有源网 络， 能量由单方向从大电网到负荷的流动变为双向流动 [ 1 ] 。 这样会 带来电网的各种控制策略和保护方法的变化，同时分布式电源的 并网运行可能会引起电网电压和频率的偏移 、电压波动等电能质 量问题，严重威胁电网的安全可靠运行 。 为了协调大电网和分布 式发电之间的矛盾， 充分发掘分布式电源的效益， 在本世纪初美国 电力可靠性技术研究方案协会 ( CERTS ) 提出了微电网 [ 2 ] 的概念 。 微电网可以联网运行， 也可以在电网故障时孤岛运行， 不间断 地为重要负荷供电 。 这样微电网不但不会威胁大电网，还可以提 高供电的可靠性和电能质量 。 微电网可靠运行的关键问题是微源 逆变器的控制， 文献 [ 3 ] 提出了基于下垂特性的逆变器控制方法， 该方法存在稳定时电压和频率的偏移的问题 。 本文基于同步发电 机理论提出了虚拟同步发电机的概念，可以无偏差地实现电压和 频率的稳定 。 ＊ 基金项目 ： 教育部科学技术研究重大项目 ( 306004 ) ； 国家自然 基金项目 ( 50777015 )
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6 所示的一次调频控制框图 。 二次调频由确定的几个虚拟同步发电机承担，采用虚有差调 节法 进行调节， 相当于电力系统中的调频机组， 将大电网的自动
[9 ]
同步电抗为 0． 4mH， 转动惯量为 0． 36kg＊ m2 ( 这些参数 为 0． 03 Ω， 按照同步发电机的额定参数进行设定 ) ， VSG2 的容量为 8kW， 其 他参数和 VSG1 相同， VSG3 容量为 20kW， 在仿真中作备用电源使 用。 负荷 1 、 大小分别为 8kW、 负荷 3 、 2 为敏感负荷， 5kW， 4 为不敏 感负荷 ，大小分别为 2kW、 5kW，总负荷为 20kW。 仿真步骤： 开始时， 除 KM3 外 所 有 开 关 全 部 闭 合 ， VSG1 和 电网给 VSG1 、 VSG2 为功率协调控制， VSG2 发出指令， 1S 时改变指 令的大小， 观察 VSG1 、 由 VSG2 的动态响应； 2S 时静态开关断开， 于虚拟同步发电 (3) 机1 、 2 没 有足够的 容量提供给所有 负 荷 ( 系 统频 率 会 有短暂的下降过 程 ) ，这 时 闭 合 KM3 使 备 用 电 源 其 VSG3 投入使用， 控制方式为电压 (4) 控制， VSG1 、 VSG2 还保持原有的功 率 协调 控 制 ， 其输 出 功率 基 本 不 变 ； 3S 时 切 除 负 荷 3 ， 相 应 的 VSG3 发 出 的 功 率 减 小 岛运行控制
大电网出现故障时， 静态开关就会断开， 微电网处于孤岛运行
状态， 微电网不仅要控制电压频率和幅值的大小， 还要对各个逆变 电源进行合理的调度 [ 6 ] 。 本文提出的孤岛运行的控制策略是： 一部 分逆变电源进行电压频率控制， 目的是调节系统运行时的频率， 稳
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