李 旭， 丁 勇， 李 勇， 劉為群

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

虛擬同步發(fā)電機的相角控制方法

李 旭， 丁 勇， 李 勇， 劉為群

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

虛擬同步發(fā)電機技術利用電力電子變換器模擬同步發(fā)電機的特性，使變流器具有同步發(fā)電機一次調頻、一次調壓、阻尼及慣性等特性，增強了變流器對電網電壓及頻率的支撐作用，提高了電網接入的友好性。提出一種利用常規(guī)鎖相環(huán)校正虛擬同步發(fā)電機頻率和相位的方法，在啟動并網及強擾動過程中校正頻率和相位的不合理偏移，減小了上述工況下的振蕩及失控風險，并通過實驗驗證了方法的可行性。

虛擬同步發(fā)電機；VSG；相角控制；相位；頻率；預同步

傳統(tǒng)的并網變流器控制方式往往采用簡單成熟的有功、無功解耦電流控制，該方法可以實現快速準確的功率控制，但不具備慣性、阻尼等特性，且該控制方式不支持在離網模式下運行。虛擬同步發(fā)電機(VSG)技術利用電力電子變換器模擬同步發(fā)電機的特性，使變流器具有同步發(fā)電機一次調頻、一次調壓、阻尼及慣性等特性，增強了變流器對電網電壓及頻率的支撐作用，提高了電網接入的友好性，逐漸成為研究熱點[1-4]。

虛擬同步發(fā)電機的相位和角頻率通過發(fā)電機的運動方程得到[5，6]。但并網啟動時，由于并網解鎖時刻之前虛擬同機發(fā)電機無法通過搖擺方程與電網同步，直接并網時會因為與電網間的相位差造成的嚴重電流沖擊；同時，虛擬同步發(fā)電機并網運行過程中，當受到較大的擾動時可能出現頻率和相位偏離嚴重的情況，造成系統(tǒng)失去控制。

本文提出通過相角調節(jié)器，利用常規(guī)鎖相環(huán)(PLL)對虛擬同步發(fā)電機的相位及角頻率進行預同步和在線校正，以減少并網沖擊實現平滑啟動，并提高系統(tǒng)的抗擾動能力。

1 虛擬同步發(fā)電機控制技術

1.1 并網變流器的電路結構

圖1所示為最常見的三相并網變流器電路，直流側Edc可以為恒壓源或儲能電池等；Cdc為直流支撐電容；uia,uib,uic為經PWM生成的電壓；L和C分別為交流濾波電抗器和電容；uoa,uob,uoc為經濾波之后的變流器輸出端電壓；公共連接點(PCC)為變流器并網點；Lg為電網側的電感；uga,ugb,ugc為電網電壓。

圖1 并網變流器電路拓撲

1.2 虛擬同步發(fā)電機技術

根據需要分別對同步發(fā)電機的一次調壓、一次調頻、慣性等特性進行模擬。假定線路為感性，容性無功為正無功，一次調壓、一次調頻通過下垂控制實現[7-9]，如圖2所示。

圖2 有功-頻率和無功-電壓下垂曲線

(1)

uref=ug+Dq(Qset-Qo)

(2)

同步發(fā)電機的簡化運動方程為：

Pm-Po=Jωdω /dt

(3)

將式(1)代入式(3)，得轉子運動方程(搖擺方程)為：

Pset+Dp(ωg-ω)-Po=Jωdω /dt

(4)

dθ /dt=ω

(5)

其中Pset為有功設定；Po為實際有功輸出;Pm為機械功率;Dp為頻率有功下垂系數;Qset為無功設定;Qo為實際無功輸出;Dq為無功電壓下垂系數;uref為輸出電壓參考值;ug為電網額定電壓;θ為電角度(相位);ω為電角速度;ωg為電網額定電角速度。

由式(4)可知，參數設定完成后，轉子運動方程中只有ω為未知變量，從而可求得電角速度ω，進一步對ω積分即可得到系統(tǒng)的相位θ。

在dq旋轉坐標系下，變流器輸出電壓參考值的d，q軸分量可表示為：

(6)

(7)

根據式(2)(4)(5)(6)(7)，將同步發(fā)電機的特性代入變流器控制中形成虛擬同步發(fā)電機的電壓控制目標以及頻率和相位，如下圖3所示。

圖3 虛擬同步發(fā)電機控制目標生成

通過電壓外環(huán)、電流內環(huán)[10]實現上述目標的控制，以增加系統(tǒng)的控制精度并限制過流，便可最終生成PWM的參考值，如圖4所示。

圖4 虛擬同步發(fā)電機電壓和電流控制

2 虛擬同步發(fā)電機的相位及角頻率控制

虛擬同步發(fā)電機的相位和角頻率控制統(tǒng)稱為相角控制。通過上述虛擬同步發(fā)電機控制原理可知，相位和角頻率通過模擬發(fā)電機的轉子運動方程得到。但在并網啟動瞬間或強擾動工況下，可能出現控制系統(tǒng)的相位與電網相位的大幅偏離。

針對以上情況，本文在虛擬同步發(fā)電機的相角輸出中增加相角調節(jié)器，讓虛擬同步發(fā)電機的轉子運動方程和PLL算法在相角調節(jié)環(huán)節(jié)同時工作，并互相校準。通過鎖相環(huán)對變流器端口電壓進行鎖相，并將其輸出的相位和頻率作為虛擬同步發(fā)電機的相位及角頻率的參考，在虛擬同步發(fā)電機的輸出相位和頻率發(fā)生較大偏離時，對其進行校正。

相角調節(jié)器的原理構成如圖5所示，該相角調節(jié)器的輸入為：PLL生成的相位θPLL和角頻率ωPLL、VSG搖擺方程生成的相位θVSG和角頻率ωVSG、啟動觸發(fā)信號(GCST)和相位允許偏差Δθset。其中，GCST為變流器的PWM脈沖解鎖信號； Δθset為設定VSG和PLL輸出的的相位允許偏差的限值。

圖5 相角調節(jié)器控制原理

相角調節(jié)器的工作原理：虛擬同步發(fā)電機啟動時，當收到并網啟動指令信號并解鎖PWM脈沖，此時觸發(fā)信號GCST置位為1，相角調節(jié)器自動將PLL的θPLL(k)和ωPLL(k)作為本次運算最終相位和角速度的輸出，讓VSG與電網同頻同相啟動運行。同時，輸出的θ(k)和ω(k)作為下一次VSG相位和角速度運算的積分初始值。

(8)

(9)

虛擬同步發(fā)電機運行過程中，當相位角θPLL(k)和θVSG(k)之間誤差大于允許偏差限值Δθset時，調節(jié)器自動將θPLL(k)作為本次運算最終相位的輸出，強制讓VSG與電網恢復同相運行。同時，輸出的θ(k)作為下一次VSG相位運算的積分初始值。

(10)

通過以上調節(jié)器,在并網啟動瞬間，通過PLL對虛擬同步發(fā)電機的相角進行預同步，以減少并網時相位偏差造成的電流沖擊；在并網運行過程中，利用鎖相環(huán)對虛擬同步發(fā)電機的相角進行校正，防止發(fā)生擾動時虛擬同步發(fā)電機與電網之間出現過大的相位偏差，避免控制失穩(wěn)。

3 實驗驗證

在500kW儲能雙向變流器上進行了基于虛擬同步發(fā)電機的相角控制方法測試。

變流器額定功率500kW，直流工作電壓范圍420～650V，交流額定電壓270V，額定電流1069A，額定頻率50Hz，電網流出為電流正方向。采用500kW/4h儲能電池作為直流電源，通過錄波器記錄測試波形。

設定Δθset=0.2rad，Pset=150kW，如圖6所示，無相角控制情況下變流器并網啟動，并在600ms時刻強制同步相位的波形。可見無相角同步控制情況下，直接啟動時的沖擊電流及功率波動都很大；強制觸發(fā)相位同步以后系統(tǒng)逐漸收斂，恢復到穩(wěn)定運行。

圖6 無相角控制變流器并網啟動波形

如圖7所示，為同樣參數下加入本文所提的相角控制時，變流器并網啟動的波形?？梢娪邢嘟峭娇刂茣r，系統(tǒng)的啟動沖擊電流及功率波動明顯減小，系統(tǒng)快速進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。

圖7 有相角控制變流器并網啟動波形

為驗證VSG在擾動工況下的控制穩(wěn)定性，在上述變流器上進行了非計劃性并網到離網切換試驗。并網有功指令為150 kW，無功指令0 kVar，離網就地負載容量為14.2 kW，22.7 kVar。

圖8 切換瞬間電壓、電流、有功、無功變化

圖9 切換瞬間角頻率及電壓變化

由圖8、圖9可見，在非計劃性并網到離網切換過程中，切換平滑，電壓抖動小。并網運行時變流器與電網電角速度相同，為314.251 rad/s，電網頻率為50.01 Hz；切換到離網后，按頻率-有功下垂系數Dp=0.5，理論計算的離網運行電角速度為314.702 rad/s，實際系統(tǒng)中變流器在此工況下的電角速度為314.703 rad/s，與理論計算一致；按電壓-無功下垂系數Dq=0.3，理論計算的離網運行電壓標幺值為0.986 p.u.，實際系統(tǒng)中變流器在此工況下的輸出端電壓標幺值為0.986 p.u.，與理論計算一致。

4 結束語

虛擬同步發(fā)電機控制算法通過搖擺方程生成逆變器運行的頻率和相位，將常規(guī)鎖相環(huán)的輸出作為虛擬同步發(fā)電機的相位及角頻率參考，通過相位調節(jié)器對虛擬同步機的頻率和相位進行同步和校正，避免了啟動并網及強擾動時虛擬同步發(fā)電機與電網之間出現過大的頻率和相位偏差，從而減小了對變流器及電網的沖擊。實驗結果驗證了算法的有效性。

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李 旭

李 旭(1986 —)，男，江蘇徐州人，工程師，從事新能源發(fā)電應用與控制工作。

丁 勇(1981 —)，男，江蘇南通人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)無功補償及新能源發(fā)電工作。

李 勇(1981 —)，男，江蘇南京人，高級工程師，從事新能源發(fā)電應用與控制工作。

劉為群(1966 —)，男，安徽滁州人，研究員級高級工程師，從事電力電子功率變換技術及應用工作。

Phase angle control method of Virtual Synchronous Generator

LI Xu, DING Yong, LI Yong, LIU Weiqun

(Nanjing Nari-Relays Electric Co. Ltd., Nanjing 211102, China)

Virtual synchronous generator (VSG) technology simulates the characteristics of the synchronous generator by power conversion system (PCS). Thus, the converter will have the characteristics of the synchronous generator such as primary frequency regulation, primary voltage regulation, damping and inertia. So the voltage and frequency regulation ability of converter for power grid will be enhanced. It can also help to improve the friendliness of grid-connection. In this paper, a new rectification method for phase angle and frequency of VSG based on phase locked loop (PLL) is proposed. The unreasonable deviation of frequency and phase is corrected in the process of starting grid connection and in the condition of strong disturbance, to reduce the oscillation and out-of-control risk under the above conditions. Finally, some experimental tests are given for correctness verification of the proposed method.

virtual synchronous generator; VSG; phase control; phase; frequency; pre-synchronizations

2016-10-20；

2016-11-22

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2015AA050101)

TM46

A

2096-3203(2017)01-0043-04