基于虚拟同步发电机的新型光伏发电系统

张志刚，卓 放，王振雄

（西安交通大学电气工程学院电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049）

基于虚拟同步发电机的新型光伏发电系统

张志刚，卓 放，王振雄

（西安交通大学电气工程学院电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049）

指出传统的虚拟同步机硬件结构中，光伏发电设备与储能设备通常在直流侧连接后与逆变器相连，这种方案的控制较为复杂，缺少灵活性，不利于模块化的应用。提出一种新型的虚拟同步发电机硬件结构，并设计了基于电压或电流型控制的光伏逆变器控制策略和基于虚拟同步机思想的储能逆变器控制策略，系统整体体现虚拟同步机特性。仿真结果表明这种虚拟同步机控制策略可以有效抑制频率波动，加强微网稳定性，提升电能质量。

微网；分布式发电；电能质量；虚拟同步发电机；并网逆变器

虚拟同步发电机 （Virtual Synchronous Generator,VSG）是近年兴起的新型逆变器控制方式。该方案希望逆变器具有与同步发电机相似的运行特性，在同步发电机机械方程的基础上借鉴功频控制器和励磁控制器的工作原理设计控制策略，使逆变器成为虚拟的同步发电机组，从而具有更统一和兼容的逆变器控制接口。传统光伏微网发电系统采用虚拟同步机控制的拓扑结构，光伏电池组与储能装置结合在一起，经过DC-DC变流器后通过逆变器生成交流电。然而，这种结构却有着不可忽略的缺陷。首先，将光伏阵列与储能相结合的结构难以应用于模块化生产。其次，一旦储能系统发生故障，光伏逆变器也将无法正常工作。此外，光伏逆变器中DC-DC变换器的使用也增加了设计难度。因此，本文提出一种新型的针对光伏发电的虚拟同步机结构，该结构在并联的光伏发电电源逆变器出口处配置储能电池，如图1所示。这种结构省去DC-DC变换器，光伏阵列与储能系统分开，各自连接到独立的逆变器，从而与电网相连，减小了二者的相互关联性。光伏逆变器追踪并输出最大功率，并运用同步发电机思想，通过控制储能逆变器的输出，使得整个光伏并网发电系统对外体现虚拟同步发电机的特性，有利于保证微网的稳定性。本文将详述上述结构的细节与控制策略，通过仿真对其可行性进行验证。

图1 新型虚拟同步机硬件结构

1 虚拟同步发电机数学模型

微网逆变器模拟同步发电机控制模型的关键在于引入由转子运动方程与定子电气方程组成的同步发电机暂态模型。这里引入同步发电机的经典二阶数学模型，模拟同步发电机转动惯量大、输出阻抗高的优点。在同步发电机中，励磁调节器通过调节励磁来调节其无功输出与机端电压。类似的，可以通过调节虚拟同步发电机的虚拟电势来调节机端电压与无功[1]。

传统同步发电机通过对机械转矩的调节，来调节发电机的有功输出。借鉴该原理，通过对虚拟同步发电机虚拟机械转矩的调节来实现并网逆变器有功指令的调节。首先，虚拟同步发电机的机械方程可表示为

式中，J0是同步发电机的转动惯量；ω是机械角速度；ωg是公共母线频率；Tm和Te分别是机械转矩与电磁转矩；KD0为阻尼绕组以及负荷阻尼特性的阻尼系数。在极对数为1的条件下，机械角速度等于电角速度，此时同步发电机的转子运动方程为

如果转速ω在同步转速点ω0附近，近似认为ω≈ω0，转子运动方程可简化为

其中，KD=ω0KD0为阻尼分量，J=ω0J0为惯性分量，Pm为机械功率，Pe为电磁功率。式（3）也即虚拟同步机的机械模型。

传统电网中，针对负荷变化的快慢和变化幅度的差异，同步发电机会通过一次调频和二次调频特性来调整输出有功功率。借鉴同步发电机的控制方法，设计虚拟同步发电机的频率控制器，由式（4）表示。Pref是有功功率参考值；Dp是频率调节器下垂系数；ωref是频率参考值。该闭环系统中反馈值根据负荷的大小和变化情况，不断对Pm调整，从而对输出频率有效控制。

从式 (3)可以看出，电源侧或者负载侧的功率变化都会导致功率的失衡，从而导致频率的波动。传统的逆变器是没有转动惯量的，所以暂态中频率的波动会非常大，甚至危害电网稳定性。而通过虚拟转动惯量与阻尼的作用，当系统发生扰动时，逆变器可以减缓暂态过程，由此减小频率的变化速率。由式（3）和（4）可以得到式（5）[2]。

由此，有功功率的控制由功频调节器实现，包括同步发电机的机械模型与频率控制器，通过引入的虚拟转动惯量和阻尼系数有效模拟同步发电机特性[2-3]。

2 控制策略

通常对于光伏逆变器的控制分为两种方式，一种为电流型控制模式（Current Control Mode，CCM），控制输出电流，对外表现为受控电流源，在工业中具有更广泛的应用。另一种是电压型控制模式（Voltage Control Mode，VCM)，比如VF控制或者下垂控制，控制逆变器的输出电压和频率。一般来说，VCM受负载变动的影响更小，并且可在空载下运行，更利于微网的稳定性[3]；而CCM的动态响应更快，但是缺乏对电压稳定足够的支持。无论是VCM还是CCM，在本文提出的模型下光伏逆变器都需实现以下功能：光伏逆变器输出指令功率；光伏阵列追踪最大功率点；稳定直流侧电容电压。下文中将分别采用这两种控制模式，对这些功能进行详细分析。

2.1 最大功率跟踪控制

最大功率跟踪 （Maximum Power Point Tracking，MPPT） 是光伏发电的重要技术，实质上是一个自寻优过程，即通过控制端电压或者其他物理量，使光伏电池能在各种不同的日照和环境条件下输出最大功率。本文采用了MPPT诸多算法中常见的扰动观测法。

2.2 电压型控制模式

电压型控制模式对于提升母线电压稳定性具有很大的好处。当逆变器直流侧包含大容量的储能器件时，常常采用下垂控制。此外，在最大功率点追踪算法中，需要持续对电容电压施加扰动，从而达到光伏阵列最大功率点电压参考值。所以，在下垂控制的基础上增加直流侧电压控制环来控制光伏的输出功率，进而稳定直流侧的电容电压。这种电压型的控制模式如图2所示，其中m是下垂系数。

2.3 电流型控制模式

光伏并网逆变器普遍采用电流型控制，可直接调节交流输出电流相位和幅值。通过锁相环跟踪电网电压相位使得逆变器输出电流与公共母线相位尽量一致，通过调节电流幅值大小来控制逆变器向电网馈送功率大小[4]。

3 基于虚拟同步机的光伏发电系统硬件结构

在传统的虚拟同步机结构中，备用转动惯量储藏在与直流侧相连的储能结构中，其可靠性与灵活性受到一定的限制。在本文提出的新型硬件结构中，储能逆变器直接连接交流侧，转动惯量由储能逆变器的控制策略实现，光伏逆变器与储能逆变器整体呈现虚拟同步机特性。为此，控制策略需做出一定改变，将光伏阵列输出功率作为方程的有功功率参考值，从而得到式（6），其中ω是储能逆变器输出频率；Ppv是光伏阵列输出有功功率；Pvsg_out是光伏逆变器与储能逆变器的整体作为虚拟同步机时的输出有功功率。

4 仿真验证

4.1 电压型控制模式

电压型控制模式下控制框图如图2所示。在并网状态下，光伏逆变器采用电压型控制模式，储能逆变器用VSG控制，整体体现VSG特性。由于储能结构的特性是本文重点，为了简化模型，这里使用理想电压源来替代储能装置。表1列出了一些仿真的主要参数，为了验证VSG的特性，仿真中采用了锁相环得到逆变器输出侧端口以及公共端电压的频率响应。另外，锁相环的结果只用于观察端口特性，对控制环路没有影响。

图2 电压型控制框图

仿真结果如图3、4、5所示。在系统进入稳态后分别用电源侧和负载侧的变化去验证本文控制策略的可行性。首先在1 s，光伏阵列的外界环境条件发生变化，由此光伏的输入功率最大功率点与最大功率随之发生变化。之后在1.5 s发生负载的突变，负载侧功率发生改变。扰动的具体参数如表1所示。

表1 仿真主要参数

VCM控制下的最大功率点追踪结果如图3所示，Vpv和Vpv*分别是直流侧电容电压与由MPPT算法得到的指令值。在t=1 s，光伏阵列最大功率点电压和功率突变，最大有功功率从26 kW降到23 kW。大约1.2 s时，光伏阵列追踪到新的最大功率点，输出有功功率也追踪至23 kW。1.5 s时，负载突变，由14 kW升至28 kW，直流侧电容电压也迅速减小电压，释放能量来减小暂态波动。

图3 MPPT算法仿真结果

VSG的输出频率与有功功率如图4所示，fpv是光伏逆变器输出频率；fst是储能逆变器输出频率；Ppv_out是光伏逆变器输出有功功率；Pst_out是储能逆变器输出有功功率；Pvsg_out是整体输出有功功率。1 s时，由于光伏板输出功率的突变，光伏逆变器频率振荡，振幅受VSG控制的抑制作用。f= 1.5 s,由于负载有功功率增加，储能逆变器迅速增加输出功率来减小频率波动，进而稳定母线电压。之后，系统进入稳定状态。

图4 虚拟同步机仿真结果

1.5 s后频率的详细变化过程如图5所示。f_vsg是两台逆变器整体输出端的频率，f_grid是母线频率，均由锁相环得到。可以发现，由于缺少转动惯量的作用，光伏逆变器输出频率的波动较为剧烈，相比之下由VSG控制下的储能逆变器输出频率变化较为平缓，VSG整体的输出频率较为平缓地过渡到稳定状态，证明了文中所提出的硬件和控制结构可以实现虚拟同步机特性。对于网侧频率，由于负载的变化，电网频率初期波动明显，之后回归稳定。仿真结果表明，本文提出的新型VSG结构与控制策略可以有效地表现出VSG的特征，提升微网的稳定性与电能质量可靠性。

图5 负载切换时频率响应

4.2 电流型控制模式

电流型控制模式下的控制框图如图6所示。简化方式同VCM下相同，储能逆变器用理想电压源代替，忽略阻尼系数的影响。对于光伏逆变器交流侧的并网电流的控制，这里使用锁相环测得的公共母线电压相位去控制电流相位。

图6 电流型控制框图

仿真结果如图7、8所示。为了对比，在系统进入稳态后采用的变化与VCM相同，在1 s时，光伏阵列最大功率点与最大功率变化，在1.5 s增大负载。

CCM控制下的最大功率点追踪仿真结果如图7所示，电路参数含义同前。在源侧与负载侧的变化下，直流侧电容电压迅速追踪到MPPT指令值，振荡过程非常微小。

图7 MPPT算法仿真结果

VSG的输出频率与功率如图8所示。光伏逆变器输出电流相位与频率追踪公共母线电压。同VCM下的结果，外界条件改变的扰动发生后，VSG控制策略下的储能逆变器频率振荡更为平缓，两台逆变器的频率迅速回到稳态参考值。负载功率突变后，光伏逆变器依然按最大功率输出并基本不受影响，储能逆变器迅速增加输出功率来应对负载功率的增加，并稳定母线电压，由同步发电机的调频特性曲线其频率微幅减小。之后频率振荡回归额定值，系统进入稳态。

图8 虚拟同步机仿真结果

在转动惯量的作用下，储能逆变器的输出频率整体平缓变化，但相比于VCM，CCM下的频率局部的微小波动更加明显，整体作为虚拟同步机的输出频率振荡也受到VSG控制的抑制，CCM控制下的VSG整体同样具有优良的VSG特性。

5 结论

本文针对虚拟同步发电机技术及其在光伏并网发电的应用进行了研究，提出了一种针对光伏发电的虚拟同步发电机结构及相应的控制策略。这种方案将光伏逆变器与储能逆变器独立控制，各自通过逆变器与交流侧连接，光伏逆变器通过电压型或电流型控制模式追踪其最大功率点，整体结构通过文中所述的控制策略呈现虚拟同步机特性。仿真结果表明，本文提出的新型虚拟同步机硬件结构可以有效地表现出虚拟同步机的特征，通过增加备用转动惯量使得微网具有更好的暂态特性，有效提升微网频率稳定性与电能质量。

[1] 苏建徽,汪长亮.基于虚拟同步发电机的微电网逆变器 [J].电工电能新技术，2010（03）:26-29，43.

[2] 杜燕.微网逆变器的控制策略及组网特性研究 [D].合肥：合肥工业大学,2013.

[3] 王思耕.基于虚拟同步发电机的光伏并网发电控制研究 [D].北京：北京交通大学,2011.

[4] 刘鸿鹏，朱航，吴辉，等.新型光伏并网逆变器电压型控制方法 [J].中国电机工程学报,2015(21):5560-5568.

A Novel Photovoltaic Generation System Based On Virtual Synchronous Generator

ZHANG Zhigang,ZHUO Fang,WANG Zhenxiong

（State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment,School of Electric Engineering, Xi'an Jiaotong University,Xi'an,Shaanxi 710049,China)

In the traditional hardware structure,photovoltaic generation equipment and energy storage device are integrated at DC-side and connected to the inverter,which is complicated to control,disadvantageous formodular applications and lacks flexibility. Therefore,this paper proposes a novel hardware structure of VSG,in themeantime designs the control strategy of photovoltaic inverter based on voltage-mode and current-mode control,and the control strategy of energy storage inverter based on VSG.The integral system presents the characteristics of VSG.The simulation results indicate that VSG control strategy could effectively suppress frequency oscillation,enhancemicro-grid stability and improve powerquality.

micro-grid;distributed generation;powerquality;virtualsynchronousgenerator;grid-connected inverter

TM615

B

1671-0320（2016）05-0054-05

2016-07-08，

2016-08-16

张志刚（1993），男，陕西府谷人，2015毕业于西安交通大学能源动力系统及自动化专业，从事微网稳定性与逆变器控制的相关研究；

卓 放（1962），男，上海人，2001毕业于西安交通大学电气工程专业，博士，教授，博士生导师，从事分布式电网电能质量控制技术与大功率谐波抑制及无功补偿技术相关研究；

王振雄（1993），男，陕西西安人，2014毕业于西安交通大学电气工程与自动化专业，从事微网、交流器控制与电能质量的相关研究。