虚拟同步发电机及其在独立型微电网中的应用*

占伟强, 吴振兴, 邢鹏翔, 周 亮

(1. 海军工程大学 舰船综合电力技术国防科技重点实验室,湖北 武汉 430033； 2. 武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072)

虚拟同步发电机及其在独立型微电网中的应用*

占伟强1, 吴振兴1, 邢鹏翔2, 周 亮1

(1. 海军工程大学 舰船综合电力技术国防科技重点实验室,湖北 武汉 430033； 2. 武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072)

针对独立分布式发电系统设计了一种基于同步发电机功角特性的虚拟同步发电机控制策略，使逆变器能以电压源形式与柴油发电机并联组网。所设计的控制策略实现了逆变器对电网的无缝投切，逆变器在并网运行时能根据指令调节有功输出。突加、突减负载时逆变器能迅速响应需求输出功率，有效地减小了微电网电压幅值和频率波动。当微电网中柴油发电机停机时逆变器能独立支撑微电网的电压和频率，使微电网电压和电流平稳过渡。最后通过MATLAB/Simulink仿真验证了所设计控制策略的有效性。

并网逆变器；柴油发电机；虚拟同步发电机；微电网

0 引 言

随着国家经济的发展，近几年逐渐加大了对海岛和偏远山区的开发力度，这些地区的能源供应问题成为研究热点。由于远离居民聚集区，所以线路铺设及运行维护难度较大，采用联网供电方式经济效益较低。较为可行的电力供应解决方案是以新能源开发为核心，构建风、光、柴、储互补独立型微电网[1-3]。

现有的风光柴储发电系统组网模式大致分为两种：一种是结合储能装置将风光能源经变流器转换后以电流源的形式并网，由柴油发电机为系统提供电压和频率支撑。这种模式的缺点是在光照和风能充足的时间段也至少需要保留一台柴油发电机处于开机状态，清洁能源不能实现最大利用率，造成了极大的资源浪费。另一种组网模式是在风光储能源充足时，改变逆变器的控制策略，在文献[4-5]中作者提出逆变器在并网运行时采用电流控制模式，独立运行时采用电压控制模式。但是文献[6]中指出，控制器在电压控制和电流控制2种模式间切换时，会导致输出结果出现偏差，容易造成暂态冲击。实际上，当电网电压频率均由柴油发电机支撑时，由于柴油发电机缺乏足够的惯性，在负载大幅波动时，容易造成电网电压和频率波动过大[7-9]。除此之外，以上两种组网模式均没有考虑实际运行过程中柴油发电机可能出现故障的情况。当电网电压和频率均由柴油发电机支撑时，柴油发电机一旦发生故障停机，发电系统将无法运行，容易造成安全事故。因此需要寻求新的解决方法，使逆变器能以电压源的形式在微电网中运行，为电网提供电压和频率支撑。

虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)技术是近年来研究的热点[10-13]。目前大多数VSG技术都是基于有功频率下垂控制方法[14-16]，定义ΔP=kΔf，其中ΔP和Δf分别为有功和频率的变化量，k为有功频率下垂系数。原理是根据频率的波动来调节有功的输出。该方法较为机械，首先，在负载变化时输出频率会发生偏移，使系统频率尤其是独立运行时的分布式发电系统频率不稳定。其次，在多台逆变器并联时，该方法根据下垂系数k及发电装置容量来分配负荷功率，多机协同出力，难度较大。针对以上问题，文献[17]提出在微电网孤岛运行时，将VSG分为非调频发电单元和调频发电单元，前者按照功率调度指令发电并参与一次调频，后者为微电网提供电压参考并利用二次调频实现频率误差控制。但是文中所提调频方法较为复杂，实现过程需多机协调运行。文献[18-19]提出自适应调节下垂系数来保持逆变器输出功率恒定，但该方法控制不够准确，且下垂系数影响系统的动态特性和稳定性[20]，确定后不宜进行改变。文献[21]中搭建了小型微电网，设计的VSG控制策略在功率调节、电网支撑及微电网并/离网模式下的无缝切换都表现出很好的响应特性。但是所设计控制策略并没有考虑实际微电网发电系统中存在柴油发电机的情况，即多个不同类型电压源同时存在对微电网运行的影响。

本文针对以上问题，结合电力电子器件的“快”和同步发电机的“慢”，设计了一种基于同步发电机功角特性的VSG控制策略，通过实时改变逆变器的输出功率角来调节输出功率，达到频率无差控制的同时，实现了逆变器以电压源形式并入存在柴油发电机的微电网。通过仿真试验验证了所设计控制策略在功率调节、负载波动及柴油发电机突发故障情况下均表现出很好的响应特性，有效地改善了独立分布式发电系统的电能质量。

1 控制原理

1. 1 功频控制器设计原理

当微电网中存在两个不同类型的电压源，稳定运行时二者输出频率必须一致。因为逆变器在系统中要起到实时调节功率输出改变清洁能源占比的作用，在调节输出功率占比的过程中，不同电压源的有功频率变化是相反的，因此传统基于有功频率下垂的控制策略并不适用。逆变器需采用频率无差控制策略，即在保证自身频率稳定的情况下具有对电网频率的追随调节能力。

在同步发电机中存在式(1)关系:

(1)

P1为输入机械功率，P2为机械损耗、铁耗和附加损耗之和。E0为发电机机端电压，U为电网电压，Xt为同步发电机电抗，m为同步发电机相数。保持E0不变，视电网电压U和同步电抗Xt为不变量时，同步发电机的电磁功率Pem可单一由功率角θ作为基本量来表示。

图1为同步发电机输出电磁功率与功率角θ之间的关系，随着功率角θ的变化，输出功率Pem也呈现规律性变化[22]。

图1 同步发电机功角关系

由以上分析可知，要增加同步发电机的输出功率，就必须增加原动机的输入功率，使电机的功率角θ增大。根据同步发电机的这一特性设计逆变器的功频控制器。图2为控制器原理框图。

图2 模拟功频控制器结构图

参照柴油发电机的控制器设置了模拟调速器。模拟调速器可由PI控制器代替，达到对系统频率的无差跟踪。图2中ωN为给定角速度，ω为实际输出转速。Δω为并网运行时微电网中柴油发电机输出频率与逆变器输出频率差，使逆变器具有对同步发电机频率的追踪能力。Pm为模拟输出机械功率，P为输入功率，P=Pe+Pn，Pe为机端反馈的有功功率，Pn为输入有功指令，SN为逆变器容量。J为惯性系数，使并网逆变器在功频动态过程中具有与同步发电机类似的惯性特性。D为阻尼系数，使得并网逆变器型发电装置存在阻尼电网功频振荡的能力。图2中存在以下关系式：

(2)

(3)

(4)

式中:k——惯性和阻尼环节影响因子，因惯性和阻尼环节不是研究重点，这里简化处理；

p——微分算子；

a、b——比例系数和积分系数。

由式(2)可知，当输出功率增大时，P增大，此时模拟机械功率Pm来不及反应，由式(3)可知ω会减小。当ω减小时，ωN-ω产生的差值会增大，通过比例积分环节使模拟输入的机械功率Pm增大，通过式(3)关系改变ω，使系统再次达到平衡，以实现通过调节逆变器输出功率角来达到调节有功输出的目的。这与同步发电机功角关系是一致的。当系统中ωN-ω不再产生差值时，系统频率会稳定在ωN(并网时ωN+Δω)，实现了对逆变器频率的无差控制。频率无差控制除了能将系统频率稳定在设定值外，另一个优点是当系统因为突加、突减负载引起频率波动时，逆变器能通过调节有功输出来稳定系统电压频率。在仿真试验中这一点得到了体现。

1. 2 励磁控制器设计原理

同步发电机通过调节励磁来调节其无功输出及机端电压。类似地，可以通过调节VSG模型的虚拟电势E来调节机端电压。

如图3所示，VSG的虚拟电势指令E由3部分组成：逆变器空载电势E0，机端电压调节单元的输出ΔEU，无功功率调节的部分ΔEQ。

图3 模拟励磁控制器结构图

其中ΔEU可表示为

式中：ku——电压调节系数；UN、U——并网逆变器机端电压有效值的指令值和真实值。

ΔEQ可表示为

式中：kq——无功调节系数；QN——并网逆变器的无功指令；Q——逆变器机端输出的瞬时无功功率值。

由上文可得VSG的电势为E=E0+ΔEU+ΔEQ，进而，结合功频控制器生成的输出相角，可得VSG生成的电压向量为

(5)

为增强输出电压的稳定性，设计了图4的机端电压控制系统，合成电压Uabc经dq解耦后进入机端电压稳定系统。

图4 机端电压控制系统

图4中umref为系统稳定工作时反馈机端电压的参考幅值；Um为机端电压输入幅值，由Uabc经dq解耦后得到的ud和uq计算得到；idref和iqref分别为d和q轴电流参考值，L为LCL滤波器的等值电感。系统运行时通过dq解耦的电压电流双闭环控制有利于减轻励磁控制器控制压力，同时有助于增强机端电压的稳定性。

1. 3 模拟准同期并列装置

借鉴传统同步发电机准同期并列装置的原理，设计了模拟准同期并列装置，如图5所示。

图5 模拟准同期并列装置

在逆变器向微电网投切时通过锁相环实时跟踪两者电压和频率，根据电网的电压和频率来调整逆变器的输出电压和频率，此时逆变器输出频率变为ωN+Δω(Δω为逆变器输出电压和电网电压频率差)，电压幅值E0和UN切换为电网电压幅值，调整逆变器输出电压幅值和频率后，将逆变器输出电压和微电网电压的相位差经PI调节器后送入功率指令Pn，通过功率指令扰动调节输出电压的相位，使得逆变器输出的电压相位和电网一致。当频率差、电压差和相位差都满足并网要求时，模拟准同期并列装置向公共连接点处发出合闸信号，完成合闸操作，实现逆变器的并网。

2 仿真分析和试验结果

为验证所提VSG控制策略的有效性，在MATLAB中搭建500 kW逆变器和800 kW柴油发电机组成的微电网仿真试验平台。试验平台结构如图6所示。

图6 试验系统结构图

表1为逆变器的相关控制参数，电压幅值E0和参考电压指令UN按照柴油发电机空载时的输出电压来设计。VSG的惯性时间常数为5 s，柴油发电机模型的惯性时间常数为2 s，设计恢复稳定的时间迟于柴油发电机，有助于逆变器跟踪柴油发电机的输出频率。

表1 系统参数

图7 电网电压幅值波形

图8 逆变器功率电流波形

图9 柴油发电机功率电流波形

起动时同步发电机带载400 kW，逆变器空载。在10 s时起动逆变器并联投切程序，模拟准同期并列装置开始工作，在17.8 s时达到并网条件，控制开关合闸，逆变器正式并入电网。从图7并网点电压幅值波形以及图8逆变器和图9柴油发电机输出功率电流波形中可以看出，并网过程中并网点电压幅值，以及逆变器和柴油发电机的输出功率和电流都没有大的波动，实现了平滑过渡，表明了所设计的并联投切策略的有效性。在22 s时，给逆变器下达功率指令，使逆变器输出有功功率200 kW，如图8所示，逆变器输出电流逐渐增大，负载功率逐渐转移到逆变器的输出上。如图9所示，随着逆变器输出功率增加，柴油发电机输出功率逐渐减小，整个过程中电压幅值波动较小，电流过渡平稳。验证了所提控制算法可以很好地跟踪有功指令调节功率输出。这表明在独立运行的分布式发电系统中可以通过逆变装置实时调整清洁能源的占比，实现清洁能源的最大利用率。

逆变器以电压源形式在独立型微电网运行的最大优势是在负载变化时，逆变器能利用电力电子器件“快”的特性结合储能装置迅速响应负载需求输出有功功率，减小负载对电网的冲击。通过图10有功、无功试验波形可以看出，在31 s突加100 kW负载时，逆变器分担了93 kW，几乎承担了全部的新增功率，突卸负载时也是由逆变器来响应负载变化，维持系统功率平衡。为验证这一控制策略具有改善电网电能质量的特性，将试验平台中的逆变器替换为800 kW柴油发电机，用2台800 kW柴油发电机并联做负载突加、突减试验。

图10 突加、突减负载试验波形

从图10微电网电压幅值和频率波形对比中可以看出，逆变器与柴油发电机并联情况下，电压幅值波动在±3 V以内，而2台柴油发电机并联时，幅值波动达到±5 V；在频率波形图对比中也可以看出逆变器与柴油发电机并联时，输出频率波动在0.15 Hz以内，而2台柴油发电机并联时则达到0.2 Hz。试验过程中，存在逆变器的微电网电压幅值和频率达到稳定所用的时间更短，验证了VSG可迅速响应负载变化，减小电压和频率波动，增强微电网的稳定性。除此之外，现有的柴油发电机在突加、突减负载时难以做到频率无差控制，负载变化由逆变器承担使柴油发电机的输出频率几乎不变，而逆变器可以快速调整输出频率，保证自身输出频率与柴油发电机一致。

为验证逆变器能独立支撑微电网的电压和频率，在39 s时将柴油发电机切出微电网，从图11试验波形可以看出逆变器在1 s内完成调整，独立承担了整个微电网的输出功率。切换过程中，电压幅值虽有跌落但很快恢复稳定，达到了独立支撑电网电压的目的；电流缓慢上升，并没有对系统造成冲击；频率在经历短暂波动后在2 s内达到稳定，发电系统实现平稳过渡。表明了所设计控制策略能使逆变器在微电网中柴油发电机突发故障的情况下独立支撑起微电网的电压和频率。

图11 逆变器独立运行试验波形

3 结 语

本文基于VSG技术，设计了一种适用于独立分布式发电系统的并网逆变器控制策略，并通过仿真验证了所提控制策略有效性，得到以下结论：

(1) 实现了逆变器以电压源方式接入有柴油发电机运行的微电网。逆变器能根据指令调节功率输出，实时改变逆变器输出功率的占比。

(2) 在负载变化时，逆变器能利用电力电子器件的优点,迅速响应负载需求调整功率输出，补充电网所需负荷，有效地减小了电网电压幅值和频率的波动。

(3) 在柴油发电机停机时，逆变器能独立支撑电网的电压和频率，使系统保持平稳运行，增强了独立型微电网运行的可靠性。

[1] 杨文鹤.中国海岛[M].北京: 海洋出版社,2011.

[2] 谭茂强,邓长虹.海岛微网建设关键技术研究[J].电力建设,2013,34(2): 60-63.

[3] 贺军,张俊洪.风储微电网运行控制研究[J].电机与控制应用,2015,42(12): 50-54.

[4] TIRUMALA R, MOHAN N, HENZE C. Seamless transfer of grid-connected PWM inverters between utility-interactive and stand-alone modes[C]∥ Applied Power Electronics Conference and Exposition, seventeenth Annual IEEE. Dallas, USA: IEEE, 2002: 1081-1086.

[5] JUNG S, BAE Y, CHOI S, et al. A low cost utility interactive inverter for residential fuel cell generation[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(6): 2293-2297.

[6] YAO Z L, XIAO L, YAN Y G. Seamless transfer of single-phase grid-interactive inverters between grid-connected and stand-alone modes[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(6): 1597-1602.

[7] MOLINA M G, MERCADO P E. Power flow stabilization and control of micro-grid with wind generation by superconducting magnetic energy storage[J]. IEEE Trans on Power Electronics, 2011, 26(3): 910-922.

[8] 郭力,富晓鹏,李霞林,等.独立交流微网中电池储能与柴油发电机的协调控制[J].中国电机工程学报,2012,32(25): 70-78.

[9] 毕锐,吴建锋,丁明,等.孤立微网多元储能与柴油发电机协调控制策略[J].电力系统自动化,2014,38(17): 73-79.

[10] YANG X Z, SU J H, DING M, et al. Control strategy for virtual synchronous generator in microgrid[C]∥ Proceedings of 2011 4th International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies, 2011: 1633-1637.

[11] DARCO S, SUUI J A, FOSSO O B. Control system tuning and stability analysis of virtual synchronous machines[C]∥ Proceedings of 2013 IEE E Energy Conversion Congress and Exposition, Denver, USA, 2013: 2664-2671.

[12] SAKIMOTO K, MIURA Y, ISE T. Stabilization of a power system with a distributed generator by a virtual synchronous generator function[C]∥ Proceedings of 2011 IEEE 8th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia May 30, Jeju, Korea (South), 2011: 1498-1505.

[13] 郑天文,陈来军,陈天一,等.虚拟同步发电机技术及展望[J].电力系统自动化,2015,21(39): 165-175.

[14] 丁明,杨向真,苏建徽.基于虚拟同步发电机思想的微电网逆变电源控制策略[J].电力系统自动化,2009,33(8): 89-93.

[15] ZHONG Q, WEISS G. Synchronverters: inverters that mimic synchronous generators[J]. IEEE Trans on Industrial Electronics, 2011, 58(4): 1259-1267.

[16] ASHABANI S M, MOHAMED Y A I. A flexible control strategy for grid-connected and islanded microgrids with enhanced stability using nonlinear microgrid stabilizer[J]. IEEE Trans on Smart Grid, 2012, 3(3): 1291-1301.

[17] 杨向真,苏建徽,丁明,等.微电网孤岛运行时的频率控制策略[J].电网技术,2010,34(1): 164-168.

[18] 孙孝峰,王娟,田艳军,等.基于自调节下垂系数的DG逆变器控制[J].中国电机工程学报,2013,33(36): 71-18.

[19] 郑永伟,陈民铀,李闯,等.自适应调节下垂系数的微电网控制策略[J].电力系统自动化,2013,37(7): 6-11.

[20] POGAKU N, PRODANOVIC M, GEEN T C. Modeling, analysis and testing of autonomous operation of an inverter-based microgrid[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(2): 613-625.

[21] 吕志鹏,盛万兴,钟庆昌,等.虚拟同步发电机及其在微电网中的应用[J].中国电机工程学报,2014,34(16): 2591-2603.

[22] 辜承林.电机学[M].武汉: 华中科技大学出版社,2010.

Virtual Synchronous Generator and Its Applications in Independent Microgrid*

ZHANWeiqiang1,WUZhenxing1,XINGPengxiang2,ZHOUliang1

(1. National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Aim to the independent distributed power generation system, a virtual synchronous generator control strategy based on the power angle characteristic of synchronous generator was designed. The inverter could run in the form of voltage source with the diesel generator in parallel. The designed control strategy realized the seamless switching of inverter to micro grid. When in operation, the inverter could both adjust the active output power according to the instruction and respond to the power demand quickly when the load was changed. The control strategy could effectively reduce the fluctuation of voltage amplitude and frequency of the micro grid. The voltage and frequency could be independently supported by the inverter when the diesel generator shut down in microgrid, ensure the micro power grid running smoothly. At last, through the MATLAB/Simulink simulation verified the effectiveness of the designed control strategy.

grid connected inverter; diesel generator; virtual synchronous generator; microgrid

国家自然科学基金项目(51490681);国家973计划项目(2012CB15103)

占伟强(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为微电网发电。 吴振兴(1982—)，男，博士研究生，副研究员，研究方向为新能源发电和高压变频器。 邢鹏翔(1990—)，男，博士研究生，研究方向为微电网应用。 周 亮(1985—)，男，博士研究生，研究方向为光伏并网逆变器。

TM 614

A

1673-6540(2017)04- 0014- 06

2016 -09 -20