离网VSG逆变器自适应控制策略研究

袁臣虎　段斌伟　刘晓明

摘  要： 虚拟同步发电机（VSG）逆变器控制策略將同步发电机转动惯量和阻尼系数参数引入到逆变器控制中，为了进一步提升VSG的频率动态调节性能，文中提出一种离网VSG逆变器转动惯量和阻尼系数一同自适应控制策略。分别建立VSG逆变器转动惯量与角频率变化率和阻尼系数与角频率偏差量之间的自适应函数关系，搭建该自适应控制策略的仿真模型。仿真结果表明，改进的VSG控制策略能够根据负载扰动引起的频率变化率和偏差量自适应调节转动惯量和阻尼系数，减小频率变化率和频率的绝对偏差，从而改善逆变器的频率动态响应特性。

关键词： VSG逆变器; 自适应控制; 转动惯量; 阻尼系数; 自适应函数; 仿真实验

中图分类号： TN850.3?34; TM464                 文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2020）24?0022?04

Research on self?adaptive control strategy of off?grid VSG inverter

YUAN Chenhu， DUAN Binwei， LIU Xiaoming

（School of Electrical Engineering and Automation， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China）

Abstract： The control strategy of virtual synchronous generator （VSG） inverter introduces the rotational inertia and damping coefficient parameter of the synchronous generator into the inverter control. A self?adaptive control strategy of the rotational inertia and damping coefficient parameter of off?grid VSG inverter is proposed to further improve the frequency dynamic adjustment performance of the VSG inverter. The adaptive function relationship between rotational inertia and angular frequency change ratio of the VSG inverter， and damping coefficient and angular frequency deviation value is established， respectively. The simulation model of the self?adaptive control strategy is built. The simulation results show that the improved VSG control strategy can adaptively adjust the rotational inertia and damping coefficient according to the frequency change rate and deviation value caused by the load disturbance， which reduces the frequency change ratio and the absolute deviation of frequency. Thus， the frequency dynamic response of the inverter is improved.

Keywords： VSG inverter; self?adaptive control; rotational inertia; damping coefficient; self?adaptive function; simulation experiment

0  引  言

随着我国传统能源的逐渐枯竭，以大型新能源发电为技术主体的分布式发电和新型微电网融合技术逐渐兴起[1?2]。而逆变器是分布式电源和整个微电网之间的重要接口。常见的逆变器控制方法有： PQ控制、VF控制和Droop控制。PQ控制输出的功率维持恒定，但它不具备调频调压的能力。VF控制能为系统提供稳定的频率及电压，但它适用于离网的小容量逆变器且不能兼顾负荷变化。Droop控制虽然具有一次调频的性能，但是其控制器输出的频率对负荷的波动敏感，抗干扰能力也比较弱。而虚拟同步发电机（VSG）技术将同步发电机转动惯量和阻尼系数参数引入到逆变器控制中，从而使逆变器具备了调压调频的能力，提升了逆变器的频率动态响应特性，增强了逆变系统的稳定性[3?5]。

当外部环境扰动较大时，VSG仍然有可能会出现频率的大幅波动，甚至会造成系统失稳[6]。为此本文提出一种离网VSG逆变器转动惯量和阻尼系数一同自适应的控制策略，通过建立离网VSG转动惯量与角频率变化率和阻尼系数与角频率变化偏差量之间的一同自适应控制函数关系，进而设计VSG转动惯量、阻尼系数的自适应逆变器频率调节控制模型，搭建该策略的仿真模型。通过仿真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，改善了频率的动态响应特性，保证了系统的稳定性。

1  VSG基本原理

1.1  VSG數学模型

VSG的实质就是将同步发电机转动惯量和阻尼系数参数引入到逆变器控制中，图1为VSG的基本结构。其中，[Udc]为逆变器直流侧的等效电源，逆变器输出的三相电压[ea]，[eb]，[ec]等效为虚拟同步机的输出电动势，[ua]，[ub]，[uc]为负荷电压，R，L和C分别为滤波电感内阻、滤波电感及滤波电容，E，δ为VSG输出的参考电压幅值及相位角。

由同步发电机的二阶模型[7]可得VSG定子电磁方程和转子运动方程如下：

[E=U+Ira+jxtJdωdt=Pm-Pω-Dω-ω0dθdt=ω] （1）

式中，[ra]，[xt]分别为VSG电枢电阻和同步电抗;[Pm]，[P]分别为VSG机械功率和实际输出功率;[J]为转动惯量;[D]为阻尼系数;[ω]为实际角频率;[ω0]为额定角频率;[θ]为角度。

1.2  传统离网VSG控制策略

VSG是在下垂控制的基础上模拟同步发电机的转动惯量和阻尼系数，从而满足离网系统在电能质量中的电压和频率要求。离网状态时，功率是根据负荷的变化而变化，VSG有功调频的控制方程为：

[Pm=Pref+Kωω0-ω]          （2）

联立式（1）和式（2）可得VSG输出角频率的表达式为：

[ω=KωJω0s+Dω0ω-ω0+1Jω0s+Dω0Pref-P+ω0]  （3）

式中：[Pref]为参考功率;[ω]为实际角频率;[ω0]额定角频率;[Kω]为功频调差系数。

将式（3）整理为含惯性环节的形式为：

[ω0-ω=-1Jω0s+Dω0Pref-P             =-mτs+1Pref-P]  （4）

[τ=Jω0Dω0+Kωm=1Dω0+Kω] （5）

式中：[τ]为惯性时间系数;[m]为有功频率下垂系数。离网VSG控制技术实质上是逆变器模拟同步发电机的转动惯量和阻尼系数，与传统有功频率控制相比，采用VSG有功控制相当于在下垂控制的基础上增加一阶惯性环节，这样当负载扰动较大的时候能够减缓频率的变化，增强逆变系统的稳定性[8]。

2  J，D频率调节的控制原理

VSG和下垂控制相比，频率响应特性得到进一步提高。VSG的功角曲线、角频率振荡曲线如图2所示。图中，当VSG的参考功率从[P1]增加到[P2]时，系统稳态点从点A变化到点B，在整个变化过程中角频率为衰减振荡。当负载扰动较大而引起频率发生大幅波动时，其幅值可能会超出允许的范围。

2.1  J，D自适应函数的建立

将VSG角频率振荡的过程分为4个阶段： ①[t1]—[t2]，②[t2]—[t3]，③[t3]—[t4]，④[t4]—[t5]。在阶段①内，VSG的转子角频率大于额定角频率且逐渐增加，角频率的变化率[dω/dt]先增加再减小，因此在阶段①内需要通过增大转动惯量J来减缓角频率的变化率[dω/dt]以及增大阻尼系数D减少角频率偏差量[Δω];在阶段②内，虚拟转子角频率的变化率[dω/dt<0]，角频率[ω]由极大值逐渐减小，但是[ω>ω0]，该阶段宜采用适当的转动惯量值，使得角频率能够回到额定值，同时当角频率偏差量[Δω]偏离较大时应该增大阻尼系数以防止角频率的偏差量过大;阶段③和④的转动惯量和阻尼系数的选取也类似。

在不同阶段，VSG转动惯量和阻尼系数的选取原则如表1所示。

根据表1的选取原则以及转动惯量J和VSG角频率变化率[dω/dt]之间的关系、阻尼系数D和VSG角频率偏差量[Δω]之间的关系，确定J和D一同自适应控制函数如下：

[J=J0，                      dωdt≤TjJ0+Kjdωdt，   dωdt>Tj]      （6）

[D=D0，                      Δω≤TdD0+KdΔω，  Δω>Td]      （7）

式中：[J0]和[D0]分别为VSG稳态运行时的转动惯量和阻尼系数值;[Kj]和[Kd]分别为转动惯量和阻尼系数的调节系数;[Tj]和[Td]为变化阈值，选取合适的值可以避免系统判断误差造成的转动惯量J和阻尼系数D的波动。

2.2  J，D自适应控制原理框图建立

根据上面转动惯量J和阻尼系数D自适应控制函数进而设计了J和D自适应控制原理框图，如图3所示。

3  VSG自适应控制策略仿真验证

3.1  仿真工况

为了检验本文提出的改进离网VSG逆变器自适应控制策略的有效性，搭建单台离网VSG逆变器运行的仿真模型。仿真参数如下：f=50 Hz，L=0.2 H，C=10 μF，[Udc]=800 V，[ω0]=314 rad/s，[J0]=0.5 kg·m2，[D0]=20 [N?m?s/rad]，[Tj]=2，[Td]=0.2，[Kj]=0.2，[Kd]=10。仿真时间设为1 s， VSG初始时刻带12 kW的负载运行，0.3 s时负载切除6 kW，0.6 s后负载恢复为12 kW。利用仿真实验来模拟负载扰动所带来的频率稳定性问题。

3.2  仿真结果对比

图4为在不同的控制策略下VSG输出频率的对应曲线。当离网负载的输入功率突减时，本文分别采用参数恒定VSG控制、转动惯量自适应控制以及转动惯量和阻尼系数一同自适应控制策略，最后对比不同的控制策略下的输出频率曲线。

由图4a）可知，转动惯量自适应VSG控制相对参数恒定VSG控制的方式，其频率变化率的影响明显。当离网负载的输入功率突减时，参数恒定控制方式下的VSG输出频率变化率比较快，不利于系统的稳定，而使用转动惯量自适应VSG控制策略时，其输出频率变化率比较缓慢，有利于离网系统的正常稳定运行。由图4b）对比可知，转动惯量J和阻尼系数D一同自适应控制相对参数恒定VSG控制的方式，其控制策略既减缓了输出频率的变化率又减小了频率偏差，而频率偏差的减小就是因为引入了阻尼系数自适应控制，阻尼系数D自适应增大对频率偏差抑制很明显。此外，为了体现暂态过程中转动惯量和阻尼系数自适应调节的过程，图5和图6给出了两者的变化过程。

图5中转动惯量在自适应调节的过程中出现尖刺是在输出频率的拐点处VSG转子角频率过渡不平滑引起的。可以看出，当VSG有功功率突减时，频率上升，转动惯量增加，阻尼系数也增加，避免了频率迅速上升以及频率偏差过大，从而改善了系统频率的动态响应特性。

综上，相比于参数恒定VSG控制和转动惯量自适应VSG控制，转动惯量和阻尼系数一同自适应的控制策略有更好的频率动态调节性能，既减缓了输出频率的变化率又减小了频率偏差，从而改善了逆变器的频率动态响应特性，增强了逆变系统的稳定性。

4  结  论

离网系统负载扰动会引起系统频率波动甚至不稳定，本文通过研究虚拟同步发电机的控制策略，提出一种离网VSG逆变器转动惯量和阻尼系数一同自适应的控制策略，得到如下结论：

1） 改进的自适应控制策略不仅实现了自适应调节转动惯量，而且还实现了阻尼系数的实时自适应调节，既减缓了输出频率的变化率又减小了频率偏差。

2） 改进的控制策略能够使逆变器系统输出频率维持在合理的范围内，进一步改善系统频率的动态响应特性，增强逆变系统的稳定性。

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作者简介：袁臣虎（1979—），男，河北邯郸人，博士，硕士生导师，副教授，研究方向为电能变换、新能源发电技术。

段斌伟（1993—），男，山西太原人，硕士研究生，研究方向为电能变换、新能源发电技术。

刘晓明（1968—），女，辽宁沈阳人，博士，博士生导师，教授，研究方向为断路器、智能电气、高压电与绝缘技术。