基于虚拟同步发电机的微网逆变器控制策略

秦昭朔 张新慧

（山东理工大学电气与电子工程学院 山东省淄博市 255000）

随着世界环境污染的日益严重和能源危机的不断加剧，风能、太阳能等可再生清洁能源逐渐受到社会各界的重视。同时，分布式电源因对环境的污染程度较小而被广泛应用。但分布式电源若直接与电网相连会造成电压扰动、频率失调等严重后果。微电网在保证供电可靠性和电能质量的情况下，同时还能实现可再生能源的广泛使用。因此，基于可再生能源的微网技术得到了广泛的关注[1]。为此，在分析推导同步发电机数学模型的基础上，针对传统控制策略模式存在切换复杂的不足，利用虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator ,VSG)实现对微网逆变器的有效控制。该控制策略不仅能够实现微网稳定运行，而且可以提高控制精度和跟踪效果。利用Simulink仿真平台验证了该控制策略的应用效果。

1 虚拟同步发电机控制原理分析

VSG根据实际同步发电机的暂态特性实现微网电源大惯性、大输出感抗的特性，并通过模拟实际同步发电机的调速器和励磁调节器进一步实现电压和功率的均分[2]。如图1所示为虚拟同步发电机控制原理图。

图1中，主电路采用传统的单相桥式电压型逆变电路，其中Udc为直流电压源，Li、Ci分别为滤波电感和滤波电容，Lk为虚拟同步发电机与电网直接连接的大电感，其作用是使虚拟同步发电机输出阻抗呈感性以实现对功率的控制[3]。通过采集并网点处的电压电流信号送入功率控制器和励磁控制器中，得到虚拟同步发电机控制算法中所需要的机械功率Pt以及由励磁控制器得到的励磁感应电动势指令E0；通过控制算法得到空间电压矢量所需要的指令电压U*，最后通过正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM)算法输出相应的PWM波，经过驱动电路后对逆变器IGBT的通断进行控制[4]。至此整个虚拟同步发电机的控制原理基本阐述完毕，其基本的运行和控制特性与实际同步发电机相近。

2 基于VSG的微网逆变器控制策略整体设计

根据同步发电机调速器和励磁控制器的运行原理设计控制器，能够协调储能单元和逆变器，将带有储能的逆变器等效为同步发电机[5]。

首先采样滤波后的三相电压U0以及三相电流I0作为采样信号，经过坐标变换以及功率计算，得到控制VSG所需的有功功率和无功功率。通过VSG控制并做坐标反变换后，得到dq轴坐标系下的定子电压，将其作为电压电流双环控制的输入后，得到三相调制波S[6]。在此基础上，结合SPWM调制过程，可将其转化为持续的触发脉冲，利用触发脉冲实现开关的导通与关断。由于虚拟同步发电机在本质上可看作一个理想电压源，因此逆变器的输出表现为电压源型逆变器。若仅仅采用电压单环控制，易导致系统稳定性不足。电压电流双闭环能够进行电流限幅，比电压单闭环更为安全，因此，本文采用电压电流双闭环控制策略。

基于虚拟同步发电机的微网逆变器整体控制策略如图2所示。其中，Vdc为直流电压源，与两电平逆变器直接相连，Lf、Bf和Cf分别为滤波电感、滤波电感内阻及滤波电容。

此外，在基于VSG的微网逆变器控制策略中，结合频率反馈过程实现逆变器对电网频率的实时追踪；在此基础上，结合电压电流双闭环技术调控并网电压和频率，从而实现微网逆变器稳定控制。逆变器并网控制模式如图3所示。

3 仿真验证

为证明设计的微网逆变器控制策略的应用性能，在Simulink仿真环境中搭建了如图4所示的微网系统仿真平台。该仿真平台由三相逆变器、同步发电机、负载、电网和开关组成。其中，同步发电机具有二次调频的功能，可自由改变逆变器的开关组合状态。

若将KM1切换开关和KM3切换开关关闭，这表示虚拟同步发电机已经接入电网中，此时系统处于并网运行的状态。

图5为虚拟同步发电机在额定电网频率下的并网电流波形图，由仿真结果可以看到并网电流波形谐波含量为2.63%，低于国家标准的电流畸变限定值，证明了基于虚拟同步发电机微网逆变器控制策略的有效性和可行性。

图1：虚拟同步发电机控制原理框图

图2：逆变器控制结构图

图3：逆变器并网控制模式

图4：微网逆变器控制仿真图

4 结束语

本文设计了一种基于虚拟同步发电机的微网逆变器控制策略。首先，分析了VSG的运行原理，建立了发电机的数学模型，并构建了虚拟同步发电机的控制结构。然后，对虚拟同步发电机的核心控制器进行设计，以保证VSG中的功率控制器和励磁控制器的有效性和稳定性。最后，在仿真平台中设计了对比试验，对所设计VSG控制策略的可行性进行了验证，为将来进一步研究基于VSG技术的应用奠定理论基础。

图5：并网电流波形