虚拟同步发电机平衡电流控制方法的研究

梁艳召

（西岭磁能科技正定有限责任公司，河北 石家庄 050800）

0 引言

作为由独立负荷与电源共同组成的一种可控系统，微电网不仅能够形成孤岛模式，还可形成并网和自由切换2 个模式，为供电可靠性与供电质量提供保障。大电网与微电网之间采用并网逆变器相连接，其控制效果对微电网运行效果将会产生直接影响。常规并网逆变器具有较快的响应速度，但缺乏转动惯量，难以将电压与频率支撑提供给分布式电源配电网，也不能为微电网提供阻尼作用[1]。而同步发电机本身存在调频调压与维持功率平衡特性，具有较大的转动惯量与阻尼，当电网故障发生时，可以在短时间内实现稳定运行，有助于电力系统稳定性的提升，因此必须提升分布式发电性能，该技术称为虚拟同步发电机（以下称VSG）。但相关研究表明[2]，电网必须运行于电压三相平衡状态下，然而很多电网会因短路故障或者电压跌落等问题而出现电压失衡，该情况下VSG 会产生电流不平衡、无功功率振荡等问题。为此，该文基于VSG 电网电压不平衡情况，分析并网电流失衡、输出功率振荡产生的原因和瞬时负序电流量、瞬时功率量的关系，提出了有效控制VSG 平衡电流的手段，可持续满足电力系统运行需求。

1 虚拟同步发电机基本原理

三相三线制虚拟同步发电机拓扑连接图如图1 所示。

图1 VSG 拓扑结构图

VSG 模拟同步发电机控制框如图2 所示。

图2 VSG 控制框

VSG 控制对同步发电机的运行原理进行模拟，将无功和有功参考指令调节成公式（1）中所标注的电压指令，可有效实现三相电网电压平衡下的电网恒定功率，进而将阻尼与惯性支持提供给电网。

2 虚拟同步发电机功率流分析

在VSG 运行于失衡电网电压的情况下，并网点电压会对VSG 输出电流、功率等产生影响[3]。与传统并网逆变器比较类似，VSG 负序电压分量通常会产生于失衡电网电压中，这样就很容易影响输出功率、电流波形质量，以下为问题产生的关键因素。

假设，三相电网电压ua，ub，uc如公式（2）所示。

式中：u+m、θp表示正序电网的电压幅值与相位；θn、u-m表示负序电网电压幅值和相位；w表示电网的电压角频率。

Clarke 对公式（2）进行变换后，可获得静止坐标系下的电网电压uα、uβ，具体如公式（3）所示。

公式（3）内，电网电压负序分量、正序分量如公式（4）所示。

根据瞬时功率定义，可将瞬时无功、有功功率表示为公式（5）。

式中：iα、iβ分别为静坐标并网电流分量。

因此，静止坐标系下，瞬时无功、有功功率如公式（6）、公式（6）所示。

通过分析以上公式发现，失衡电网电压状态下，由于负序电流和负序电压均≠0，因此输出功率可能会产生二倍频的振荡分量，而且还会导致电流失衡。如果用4 个自由度控制自由变量以抑制电流平衡与功率振荡，该目标将难以同时实现。

3 虚拟同步发电机功率-电流协调控制

在传统逆变器中，一般会基于公式（6）将电流参考值计算出来，由此即可有效控制恒定无功、恒定有功和平衡电流[4]。该文在不影响正序电流的情况下，只计算负序电流参考值。

3.1 恒定有功控制

事实上，恒定有功控制目标多为取得恒定有功功率，为获得恒定有功功率，应清除有功功率二倍频，而且还应取消有功功率波动分量，也即应满足Pc2=Ps2=0，根据公式（6）、公式（7）可得公式（8）。

从以上公式能够看出，为对有功功率振荡进行有效控制，需要分别控制负序与正序电流。但为了不对正序电流产生影响，该位置仅控制负序电流，以获取相似控制效果。从公式（8）计算出负序电流控制指令，即如公式（9）、公式（10）所示。

3.2 恒定无功控制

类似于恒定有功控制，恒定无功控制如果想得到恒定无功功率，需要对其二倍频振荡分量进行消除，同时满足Qc2=Qs2=0，根据公式（6）、公式（7）可得公式（11）。

从公式（11）计算出负序电流控制指令，如公式（12）所示。

3.3 平衡电流控制

为得到三相平衡电流，仅需将电流负序分量消除，即可实现平衡电流控制，满足i-αref=i-βref=0。

对上述3 种控制进行分析，由于负序电流参考值有所差异，3 种控制方式难以同时实现，在实际应用过程中应基于不同需求，对并网电流质量与功率振荡对电网所产生的影响进行综合考虑，因此该文基于静止坐标系，提出了VSG 功率-电力路协调控制方式[5]。

3.4 功率-电流协调控制

两倍频率余弦与正弦分量共同组成VSG 瞬时无功与有功功率振荡，电流正负序分量会直接影响功率振荡幅值。当正序电流稳定时，可通过控制并网电流负序分量更改VSG输出功率振荡正余弦分量值，具体如图3 所示，得出的VSG电磁方程如公式（13）所示。

图3 VSG 控制算法（来源：知乎网）

式中：R、L分别为逆变器和电网间的电阻与电感。

先采样得出并网电流iabc与电网电压uabc，通过Clarke 转换uabc，并通过复数滤波器分量将模块提取出来，获得。根据公式（13）计算逆变器侧负序的参考电压，借助叠加正序逆变器实现信号的有效调制，进而获得参考电压调制信号。此外，还需要通过SVPWM 调制得到开关驱动信号，最终实现并网运行目标。

静止坐标系下的VSG 功率电流协调无须锁相环，同时方便结构控制。在不影响正序电流的情况下，该文的控制策略是根据瞬时功率计算出负序电流的参考值，创建恒定无功、有功和电流平衡的统一解析表达式，以达到功率电流协调控制目的[7]。结合公式（10）、公式（12）以及公式（13）能够得出电流平衡控制、恒定务工与有功负序电流参考值，如公式（14）、公式（15）所示。

式中：λ为调节系数。

在λ为-1 的情况下，能够实现恒定有功控制；在λ为1的情况下，恒定无功控制；在λ为0 的情况下，平衡电流控制[8-9]。为协调控制无功功率、有功功率以及电流，与上述3 种控制模式相结合，于连续区间定义λ，确定λ的取值为[-1，1]，以调节λ值的方式协调控制功率和电流调节功能。

4 结论

该文提出了在电网电压失衡下适用的一种VSG 平衡电流控制策略，主要是通过电流指令对连续电流内环控制与VSG 控制进行计算，在对逆变器输出电流进行控制的基础上，保持VSG 本质属性。该文所提控制方法能够在电网电压失衡状态下对VSG 三相平衡电流进行有效控制，还可有效降低故障电流、无功与有功振荡幅值。该控制方法对电网电压线路参数与失衡类型不具有依赖性，无须切换控制模式与检测故障，且控制结构也比较简单。