基于泛在电力物联网的集中式虚拟同步发电机的研制及其仿真试验方法研究

2020-11-06张雨晨张留杰王哲

物联网技术 2020年10期

张雨晨张留杰王哲

摘要：文中首先分析泛在电力物联网的特点，在泛在电力物联网背景下，可再生能源通过逆变器大量接入电网，导致电网惯性减小、稳定性变差。传统并网逆变器因不具备调频调压功能，已不能适应新的发展，而虚拟同步发电机具有传统逆变器不可比拟的优点，针对其控制原理进行深入研究，研制出一种大容量集中式虚拟同步发电机，介绍了该产品的实现原理及其技术优点。同时，提出一种基于RTDS的仿真验证系统，并研究了在RTDS环境下该虚拟同步发电机的调频调压功能的仿真试验方法，对产品的调压调频功能仿真试验方法的研究及产品检验具有一定的借鉴意义。

关键词：泛在电力物联网;并网逆变器;微电网;虚拟同步发电机;RTDS;仿真验证

中图分类号：TP334文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）10-00-03

0 引言

随着经济社会的迅速发展，对能源的需求也在不断增加，清洁分布式新能源成为了当前研究的热点。在此背景下，国家电网公司提出了打造泛在电力物联网的构想，不断提升电网的安全水平和智能化调度能力。泛在物联是指任何时间、任何地点、任何人、任何物之间的信息连接和交互。因此，泛在电力物联网是泛在物联网在电力行业的具体表现形式和应用落地。泛在电力物联网具有如下几个方面的特点：信息感知全面，组网快速灵活;信息融合度高，通信方式灵活;拓扑变化频繁，具有自愈能力;以数据为中心，面向具体服务;访问权力受限，安全性要求高;可扩展性强，智能化程度高。

相关专家学者在考虑未来由于新能源接入之后电网的可靠性和安全性方面提出了很多方法。从设备本身来说，应不断提升设备本身的性能指标，如研制新型的并网逆变器等。当前，微电网技术与分布式发电技术得到了越来越多学者的关注[1-3]。其中，并网逆变器的功能提升与技术的深入挖掘得到了越来越多学者的关注[4-6]。此前，学者们关注于逆变器常规的控制策略，但是，不得不关注的是常规并网逆变器响应速度快，几乎没有转动惯量，难以参与电网调节，使其很难对分布式能源的主动配电网提供必要的电压和频率支撑[7-8]，这就使得常规控制策略本身对配电网与微电网的安全稳定运行带来极大的挑战[9-10]。此外，常规控制策略设计的并网逆变器，更无法为稳定性相对较差的微电网提供必要的阻尼作用[11-12]，使得该逆变器无法与配电网和微电网达到一种“同步”的效果。

若使得并网逆变器具有同步发电机的外部特性，将极大地提高并网逆变器的分布式发电系统和电网的运行性能;同时，还可以将一部分传统电网的运行控制策略移植到微电网中。有些学者基于该思想，提出了在并网逆变器的功率外环中引入类似于同步发电机的电压和频率调差特性，提出了并网逆变器的下垂控制策略。这些理论大概包括并网逆变器在离网运行模式下的下垂控制策略和并网逆变器在联网模式下的下垂控制策略。其中并网逆变器在联网模式下的下垂控制策略，可以使得并网逆变器能够根据微电网和配电网的电压频率异常事件做出反应，在故障时能够有效地为电网提供必要的有功和无功支撑。然而，基于下垂控制的一些方法只是针对同步发电机下垂外特性来做适当的近似，还不足以模拟同步发电机的真实运行特性。因此，随着研究的不断深入，部分学者提出了虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator，VSG）技术，该技术借鉴了同步发电机的机械方程和电磁方程来控制并网逆变器，使得并网逆变器在机理上和外部特性上均能与同步发电机相媲美，其特别适用于储能装置与配电网之间的连接，是目前最先进的方法之一。

在虚拟同步发电机理论研究的基础上，本文研制出一种大容量集中式虚拟同步发电机，该项目已挂网运行。同时，本文给出了在RTDS仿真试验环境下模型的搭建方法，并研究了在RTDS环境下该虚拟同步发电机的调频调压功能的仿真试验方法，对大容量集中式虚拟同步发电机的仿真试验方法的研究具有一定的借鉴意义。

1 虚拟同步发电机的设计

依照前期理论研究，可以通过硬件和软件的平台搭建完善的虚拟同步发电机系统。本文提出了自适应虚拟惯性控制技术，其控制不依赖于电网频率检测，可实现与电网的自动同步;同时，可以根据电网频率变化率主动输出有功功率，进而实现对电网频率的动态支撑。

运用换流器无功-电压下垂控制技术，在无功负荷变化等工况下，虚拟同步发电机可實现对并网点电压幅值的调节。

在三相对称短路故障状态下，虚拟同步发电机根据并网点电压跌落程度自主输出无功实现对电网的支撑;在不对称短路故障下，可实现分相补偿（自动输出负序无功），比传统同步机更具优势。同时，完整地运用了基于机端电压正、负序解耦的不平衡抑制技术。当电网不平衡时，通过机端负序电压闭环控制，VSG主动输出负序无功电流用以抑制电网不平衡。当负荷不平衡时，通过负载电流负序分量闭环控制生成VSG负序电压指令，进而实现对负荷不平衡补偿。

运用基于频率-有功下垂、无功-电压下垂的并离网无缝切换控制策略，在并网、离网状态均为电压源运行，切换过程无冲击，实现了真正意义上的无缝切换。运用了自主追踪电网相位和幅值的离并网无缝切换控制策略，通过对VSG频率进行闭环控制，来使其加速或追踪电网电压相位，通过对VSG输出电压幅值进行闭环控制来追踪电网电压幅值。本文设计的虚拟同步发电机的硬件原理如图1所示。图2为VSG的控制柜，目前该系统已挂网运行。

2 仿真试验环境的搭建

2.1 RTDS中仿真试验环境的搭建

在RTDS建立的仿真模型如图3所示，其中在RTDS中重点仿真了该虚拟同步发电机的调频、调压功能。

首先，在RTDS仿真系统中搭建包括无穷大系统、发电机、输电线路、变压器、动态负荷、整流/逆变器阀组、滤波器、直流升压回路、电池及电池控制系统在内的系统仿真模型和基于本文所述的控制原理的控制器模型，并进行纯数字仿真。使用GTAO板卡将电网电压、支路电流、滤波电容电流、直流电压、直流电流、电池电压传输至物理设备。GTDI板卡采集物理设备提供的PWM脉冲及保护控制信号至RTDS仿真环境中。GTDO将仿真模型中断路器状态、电池状态、阀组温度等信号传输至物理设备，形成物理数字混合仿真系统。由于模拟系统有功跌落和本地无功功率不足，使仿真系统频率或电压低于额定值运行，收集仿真数据，量化分析虚拟同步机功能。仿真环境如图4所示。

2.2 RTDS中仿真算例和结果分析

首先使用物理设备提供的直流软启信号将电池接入到直流升压回路的电压输出端;其次使用物理设备提供的直流断路器控制信号和直流断路器，并通过软启信号断开软启回路;最后修改物理设备的功率输出设定值，使用PWM脉冲信号对电池输出功率进行调制。电池并网并加载之后，调节仿真参数，使无穷大系统和发电机同时向本地动态负荷提供有功功率;然后模拟35 kV侧无穷大系统发生单相接地故障，80 ms后跳开无穷大系统，模拟本地电网过负荷运行;最后收集系统频率、网侧电压、电流、有功功率数据，量化物理设备调频启动时间、响应时间、调节时间及有功功率误差控制指标。仿真结果如图5所示。

电池并网并加载之后，调节仿真参数，使无穷大系统和本地无功补偿装置同时向动态负荷提供无功功率;然后跳开本地无功补偿装置，模拟本地电网无功不足;最后收集系统电压、网侧电流、无功功率数据，量化物理设备响应时间、调节时间、无功功率误差控制指标，如图6所示。

运用RTDS仿真试验环境，可以通过RTDS自身的控制模块搭建控制器，也可以通过外部的虚拟同步发电机中写入的控制算法来进行验证。若在虚拟同步发电机设计初期，可将设计的控制算法通过RTDS程序接口功能将算法在RTDS中实现。这样，在研发初期，可以很好地验证算法的优越性。

在产品试验时，可以采用VSG自身的控制器与RTDS构成闭环系统，进而验证VSG自身控制算法的正确性。此外，还进行了基于RT-LAB的半实物仿真试验，这里不再赘述。

3 结语

本文首先分析了泛在电力物联网的特点，针对此特点，在新能源领域还应不断提升设备的性能指标，在此基础上，研制出了一种大容量集中式虚拟同步发电机。同时，本文给出了在RTDS仿真试验环境下模型的搭建方法，并研究了在RTDS环境下该虚拟同步发电机的调频调压功能的仿真试验方法。以上研究对集中式虚拟同步发电机的仿真试验方法的研究具有一定的借鉴意义。

参考文献

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