杨赟;梅飞;张宸宇;缪惠宇;陈虹妃;郑建勇
【摘 要】虚拟同步发电机(VSG)控制将同步电机的转动惯量和阻尼系数引入到逆变器的控制中,改善了系统频率响应特性,增强了微电网抗干扰的能力,但是牺牲了一定的动态调节性能.在此基础上,提出了一种VSG转动惯量和阻尼系数协同自适应控制策略.建立VSG的数学模型,分析各参数对系统输出特性的影响;在VSG控制的基础上引入转动惯量和阻尼系数协同自适应控制策略,并给出相应参数变化情况下的稳定性分析;通过MATLAB/Simulink仿真对比定参数VSG控制与转动惯量和阻尼系数协同自适应控制策略的控制效果,验证了所提控制策略的可行性和有效性.
【期刊名称】《电力自动化设备》
【年(卷),期】2019(039)003
【总页数】7页(P125-131)验光组合
【关键词】虚拟同步发电机;频率响应;转动惯量;阻尼系数;自适应控制策略
【作 者】杨赟;梅飞;张宸宇;缪惠宇;陈虹妃;郑建勇
【作者单位】东南大学电气工程学院,江苏南京210096;河海大学能源与电气学院,江苏南京211100;国网江苏省电力有限公司电力科学研究院,江苏南京211103;东南大学电气工程学院,江苏南京210096;东南大学电气工程学院,江苏南京210096;东南大学电气工程学院,江苏南京210096
【正文语种】中 文
【中图分类】TM71
0 引言
随着能源问题和环境污染问题的日益突出，传统化石能源已经逐渐无法满足人类可持续发展的目标，以可再生能源为主要能量来源的微电网受到了广泛而持续的关注[1-3]。微电网中大部分的分布式电源需要通过逆变器等电力电子器件接入到电网中，因此逆变器具有控制灵活、暂态时间短的特点,但由于不具有惯性和阻尼，其抑制干扰和波动的能力较弱[4]。为此，国内外学者们提出采用虚拟同步发电机(VSG)，通过控制方法模拟同步发电机转子
特性，使得并网逆变器也具有阻尼和惯性，从而提升逆变器抑制自身输出频率和功率波动的能力，同时也提升了抑制干扰波动的能力，增强了系统的稳定性[5-6]。
文献[7]针对配备储能装置的分布式电源提出了一种虚拟惯性频率控制策略，使微电网既具有下垂特性又具有同步发电机的惯性特性，从而提高微电网的稳定性，抑制微电网多机并联时的功率、频率振荡。但是该控制策略下的转动惯量是恒定值，当负荷波动时，会出现频率的暂态过程过长的问题。文献[8]结合同步发电机的功角曲线，提出了一种自适应虚拟转动惯量控制策略，通过合理选取虚拟转动惯量来满足有功和频率超调小、动态响应速度快的要求，但是没有给出虚拟转动惯量以及系数的选取原则。文献[9]提出在自适应控制策略中设定3种工作模式，在不同的工作模式下选取不同的转动惯量，优化了频率波动恢复曲线，但是并未给出3种工作模式下的转动惯量取值以及工作模式区分原则。文献[10]提出基于乒乓控制的转动惯量可调节控制策略，转动惯量根据实际情况取不同的值，从而抑制角速度的偏离并加快角速度的恢复，但是并未给出2种取值的选取原则。文献[11]提出了一种交错控制策略，转动惯量和阻尼系数在不同的时间区间内单独变化，能够减小转子角速度的变化率和角速度的偏移量，但是并未给出相应参数具体的选取原则。
本文提出了一种应用于虚拟同步发电机的转动惯量和阻尼系数协调自适应控制策略，当虚拟同步发电机转子角速度的变化率较大时，增大转动惯量；当角速度偏离量较大时，增大阻尼系数，2个变量协调控制从而抑制频率的过快变化和过大偏移，保证系统的稳定性。利用根轨迹的方法分析转动惯量、阻尼系数和调差系数对稳定性的影响。最后通过MATLAB/Simulink仿真分析了调节系数对系统性能的影响，并验证了转动惯量和阻尼系数协调自适应控制策略的可行性，其可有效缩短系统暂态过程、保证系统稳定性。
1 虚拟同步发电机的基本原理日本寿司刀
图1为虚拟同步发电机结构示意图，虚拟同步发电机的硬件拓扑和典型的并网逆变器的结构相同，考虑同步发电机的机械方程和电磁方程，可以通过控制方法将并网逆变器模拟成传统的同步发电机。
图1虚拟同步发电机结构Fig.1Structure of VSG
根据传统的同步发电机的两阶模型，等效的虚拟同步发电机的转子运动方程如式(1)所示。为了便于分析，假设同步发电机的极对数为1，则同步发电机的机械角速度ω和电气角速度相同。
(1)
其中，J为同步发电机的转动惯量，单位为kg·m2；D为阻尼转矩所对应的同步发电机的阻尼系数，单位为N·m·s/rad；ω0为电网同步角速度，即为同步发电机的额定角速度，单位为rad /s；Tm、Te和TD分别为同步发电机的机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩，单位为N·m；δ为同步发电机的功角。电磁转矩和虚拟同步发电机输出的电磁功率Pe之间的关系如式(2)所示。
(2)
其中，eabc和iabc分别为虚拟同步发电机的输出电势和输出电流，单位分别为V和A。
同步发电机通过控制原动机的机械转矩调节发电机输出的有功功率，在此基础上通过调速器实现对电网频率偏差的响应，从而维持系统的频率稳定。借鉴该原理，在虚拟同步发电机中通过调节给定机械转矩Tref和频率偏差反馈指令ΔT实现对虚拟同步发电机的有功指令的调节。由此得到虚拟机械转矩Tm是由Tref和ΔT组成：
Tm=Tref+ΔT
(3)
(4)
ΔT=-Kω(ω-ω0)
(5)
其中，Pref为给定有功功率，单位为W；Kω为调差系数。
频率偏差反馈实际上是模拟自动频率调节器(AFR)的功能，取AFR为比例调节环节，得到如式(5)所示的机械功率偏差指令。联立式(1)—(5)，并做相应变换可以得到[12] ：
陶瓷运输
(6)
(7)
其中，P为虚拟同步发电机输出的有功功率，单位为W；KP、τ分别为有功频率下垂系数和惯性时间常数。
男性功能内裤通过式(6)、(7)可以看出，与传统有功频率控制相比，采用虚拟同步发电机有功控制增加了惯性环节，从而除了模拟一次调频特性实现多微源间的功率均分[12]之外，还实现了转动惯量控制。
无功电压控制利用了同步发电机中的自动电压调节器(AVR)的原理,自动电压调节器仅取为比例环节，并引入无功功率控制，此部分与本文研究内容相关性不大，不再赘述。虚拟同步发电机的控制框图如图2所示。图中式(8)具体如下：
(8)
图2虚拟同步发电机的控制框图Fig.2Control block diagram of VSG
2 改进型自适应控制原理
dc-ac
2.1 转动惯量J和阻尼系数D对虚拟同步发电机特性的影响
2.1.1 J和D对有功功率P输出特性的影响
对于虚拟同步发电机，根据视在功率的计算方法能够得到其输出的有功功率和无功功率如
式(9)所示。
(9)
其中，U为机端电压；δ为虚拟同步发电机的功角；Z和θ分别为虚拟同步发电机滤波电路的阻抗和阻抗角。Z和θ的表达式为：
(10)
其中，L为滤波电感；R为电阻。
根据式(1)，同时借鉴传统电力系统中的同步发电机的小信号模型分析方法[13]，假设虚拟同步发电机的输出电阻R=0，并做近似能够得到虚拟同步发电机输入输出有功功率的传递函数如式(11)所示，其为典型的二阶传递函数。
(11)
根据式(11)得到对应的二阶模型的自然振荡角频率ωn和阻尼系数ξ为：
(12)
若取0<ξ<1，误差带为 ±5%，则二阶系统对应超调量σ%和调节时间ts分别为
图3虚拟同步发电机的小信号模型Fig.3Small-signal model of VSG
在有功指令和无功指令给定的情况下，二阶系统动态性能由转动惯量J、阻尼系数D和调差系数Kω决定。一般调差系数恒定，当D恒定时，J越大，ξ越小，超调量σ%越大，调节时间ts越长；当J恒定时，D越大，ξ越大，超调量σ%越小，调节时间ts越短。可以得到结论如下：虚拟同步发电机的转动惯量J决定了输出有功功率响应过程中的振荡频率，而阻尼系数D决定了有功功率响应振荡衰减速率[13]。因此虚拟同步发电机的转动惯量J不能过大，否则有功阶跃时会导致输出有功波动，不利于系统稳定。
靶向代谢组学分析
图3为虚拟同步发电机小信号模型的示意图，图4为不同转动惯量和阻尼系数下的系统输出有功动态响应。
图4不同转动惯量和阻尼系统下的输出有功动态响应Fig.4Dynamic responses of active power output under different rotational inertias and damping coefficients
