程啟明，余德清，程尹曼，高 杰，張 宇，譚馮忍

(1. 上海電力學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090；2. 上海電力公司 市北供電分公司，上海 200041)

0 引言

能源與環(huán)境問題的加劇，使得分布式發(fā)電DG(Distributed Generation)和微電網(wǎng)技術(shù)得到了廣泛關(guān)注[1-3]。DG主要采用電力電子逆變器，與大電網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)相比在外部有較大差異，其容量更小，輸出阻抗更低，缺少系統(tǒng)慣性，且無法為含有DG的主動(dòng)配電網(wǎng)提供一定質(zhì)量的電壓和頻率支持[4-6]。

下垂控制是微電網(wǎng)中最常用的DG控制方法。它通過跟蹤電壓幅度和頻率的參考信號(hào)，由逆變器調(diào)節(jié)下垂控制器的輸出電壓和頻率，并合理分配有功和無功功率[7-9]。然而，在實(shí)施過程中下垂控制缺乏旋轉(zhuǎn)慣性，使其難以提供必要的阻尼和頻率支持。為了解決上述問題，虛擬同步發(fā)電機(jī)VSG(Virtual Synchronous Generator)可以模擬同步發(fā)電機(jī)的頻率和電壓的調(diào)節(jié)原理，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。VSG結(jié)合了同步發(fā)電機(jī)和逆變器的特點(diǎn)，它非常適合用于微電網(wǎng)，且已被廣泛接受[10 -11]。

目前VSG控制算法的研究受到廣大學(xué)者的認(rèn)可，但實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些問題。在實(shí)現(xiàn)VSG時(shí)，它與下垂控制類似，使用有功和無功功率解耦控制，即有功功率-頻率(P-f)和無功功率-電壓(Q-V)下垂控制方法[12-13]。在此基礎(chǔ)上，不少學(xué)者圍繞VSG控制方法的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等問題提出改進(jìn)的控制方法。例如：文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了級(jí)聯(lián)的頻率、相角和直流電壓環(huán)控制策略，可以支持VSG在故障時(shí)為電網(wǎng)提供頻率支撐，實(shí)現(xiàn)頻率快速恢復(fù)，但沒有考慮電壓的影響；文獻(xiàn)[15]在無功控制線路上引入了微分項(xiàng)，使VSG具有功率分配性能和環(huán)流抑制能力，但沒有考慮微分帶來的技術(shù)問題；文獻(xiàn)[16]提出了一種虛擬電抗控制策略，通過減去虛擬的電壓降，使得系統(tǒng)的阻抗得到改善，電抗和電阻的比值可以在一定程度上降低，但會(huì)使孤島模式的輸出電壓下降；文獻(xiàn)[17]將VSG的有功功率傳輸方程線性化，并引入線性控制理論，將阻尼因子與轉(zhuǎn)角偏差解耦，以實(shí)現(xiàn)有功功率振蕩抑制并保證頻率穩(wěn)定，但沒有考慮電壓的穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[18]提出一種基于乒乓控制的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可調(diào)的VSG控制策略，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)頻率的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤，但其過程實(shí)現(xiàn)比較困難；文獻(xiàn)[19]提出通過指令修正的方法以實(shí)現(xiàn)VSG輸出電壓恒定不變的控制目標(biāo)，但該控制算法過程較長；文獻(xiàn)[20]提出一種支持向量機(jī)SVM(Support Vector Machine)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)自適應(yīng)控制，在保證儲(chǔ)能裝置性能最好的同時(shí)，優(yōu)化頻率響應(yīng)曲線，但該文將逆變器等效為電流源。

本文建立并研究了VSG控制的數(shù)學(xué)模型，并分析了完整的VSG有功、無功調(diào)節(jié)控制器。針對(duì)VSG中存在暫態(tài)過程長、電能質(zhì)量差的缺點(diǎn)，提出了一種基于自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量的VSG技術(shù)。MATLAB/Simulink軟件仿真和硬件實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都驗(yàn)證了所提VSG控制策略的正確性與有效性。

1 傳統(tǒng)VSG控制存在的問題

為了使DG系統(tǒng)具備同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，避免引入過多的同步發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)變量，避免復(fù)雜的電磁耦合關(guān)系，本文采用同步發(fā)電機(jī)的經(jīng)典二階模型建立數(shù)學(xué)模型。其表達(dá)式為：

(1)

其中，J為同步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；D為阻尼系數(shù)；ω0為電網(wǎng)同步角速度；Pm、Pe分別為機(jī)械功率、電磁功率；ω、θ分別為VSG 的角速度(即VSG的機(jī)械角速度)和虛擬功角。

圖1為基于VSG的逆變器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖中，Lf為濾波電感；Cf為濾波電容；Z為負(fù)載阻抗；Zline為輸電線路的阻抗；Pe、Q為計(jì)算功率；P、E分別為過程有功功率、電壓；E0、Qref分別為額定電壓、額定無功功率。系統(tǒng)主電路采用三相電壓源逆變器，通過對(duì)逆變器輸出接口采樣獲得輸出功率、電壓和電流。通過外環(huán)電源的作用，產(chǎn)生參考電壓作為電流雙閉環(huán)的控制信號(hào)電壓。電壓環(huán)路控制器采用比例積分(PI)控制以保證更好的電壓跟蹤。電流環(huán)采用比例(P)控制環(huán)，以電容電流作為受控變量。

圖1 基于VSG的逆變器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of inverter control system based on VSG

圖1中的VSG算法包括虛擬調(diào)速器(頻率控制器)、虛擬勵(lì)磁控制器和VSG模型3個(gè)部分，分別模擬了同步發(fā)電機(jī)的調(diào)速器、勵(lì)磁控制系統(tǒng)和同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性與電氣特性，通過3個(gè)控制部分的共同作用，達(dá)到模擬同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性的目的。其中VSG算法為該控制策略的核心，而虛擬原動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)模塊模擬了同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻特性。

圖2 VSG有功功率-頻率控制框圖Fig.2 Diagram of VSG P-f control

圖2為VSG的頻率控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。它包括轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性環(huán)節(jié)、下垂控制環(huán)節(jié)2個(gè)部分，可以輸出參考電壓的相位信息，使逆變器具有調(diào)頻能力，從而模擬同步發(fā)電機(jī)的調(diào)速特性。

圖2中有功功率-頻率下垂控制的表達(dá)式為：

P=Pref+(ω0-ω)Kf

(2)

其中，Kf為有功功率下垂系數(shù)；Pref為有功功率的參考值。下垂系數(shù)的計(jì)算公式為：

(3)

其中，Pmax為分布式電源在頻率下降時(shí)允許輸出的最大有功功率；ωmin為微電源最大輸出有功功率對(duì)應(yīng)的最小頻率。

當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，頻率設(shè)定值與系統(tǒng)頻率一致，下垂控制環(huán)節(jié)將失效，頻率控制主要體現(xiàn)為轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性。而當(dāng)孤島運(yùn)行時(shí)，大電網(wǎng)不再為電網(wǎng)提供頻率支撐，微電網(wǎng)頻率通常會(huì)有一定的波動(dòng)，此時(shí)下垂控制環(huán)節(jié)作用產(chǎn)生一個(gè)附加功率以減小頻率波動(dòng)。

圖3為勵(lì)磁控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。圖中，Kq為電壓下垂控制系數(shù)；Kv為電壓調(diào)節(jié)系數(shù)；Em、Eref分別為并網(wǎng)逆變器極端電壓的真實(shí)值與指令值。勵(lì)磁控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效于下垂控制算法中的無功功率控制回路。

圖3 VSG無功功率-電壓控制框圖Fig.3 Diagram of VSG Q-V control

圖3中無功功率-電壓控制的表達(dá)式為：

E=E0+(Qref-Q)Kq+(Eref-Em)Kv

(4)

激勵(lì)控制器獲得參考電壓幅值信息。通過用信號(hào)合成振幅，可以產(chǎn)生指令電壓作為電壓環(huán)路的輸入。在VSG控制模型虛擬勵(lì)磁系統(tǒng)中，虛擬電動(dòng)勢(shì)E不僅受到無功功率調(diào)節(jié)的影響，還受到逆變器機(jī)端電壓控制信號(hào)ΔE的影響。

逆變器機(jī)端電壓控制信號(hào)ΔE可以等效為同步發(fā)電機(jī)的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器AVR(Automatic Voltage Regulator)，具體表示為：

ΔE=(Eref-Em)Kv

(5)

2 基于旋轉(zhuǎn)慣量的VSG自適應(yīng)控制原理

VSG是在傳統(tǒng)下垂控制的基礎(chǔ)上加入了轉(zhuǎn)子運(yùn)行方程來模擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣性與阻尼特性，相較于下垂控制，其最大的特點(diǎn)就是轉(zhuǎn)子慣性。當(dāng)進(jìn)入孤島運(yùn)行模式時(shí)微電網(wǎng)的頻率需由自身控制，此時(shí)的微電網(wǎng)是個(gè)獨(dú)立的小系統(tǒng)，如果其慣性很小，那么輕微的功率波動(dòng)就會(huì)引起系統(tǒng)顯著的頻率偏移，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。旋轉(zhuǎn)慣量J是轉(zhuǎn)子慣量的代表性參數(shù)，與微電網(wǎng)的運(yùn)行要求及微電源和儲(chǔ)能裝置的動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)。但與同步發(fā)電機(jī)不同的是，VSG的J并非實(shí)際存在，不受硬件條件限制，取值相對(duì)靈活。

微電網(wǎng)在運(yùn)行過程中常伴有負(fù)荷的擾動(dòng)，J的取值不同，在頻率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中逆變電源將表現(xiàn)出不同的慣性。J的取值越小，微電網(wǎng)系統(tǒng)的慣性就越小，此時(shí)微小的負(fù)荷波動(dòng)就可能引起頻率的快速變化；J的取值越大，對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率支持作用越明顯，當(dāng)然，這也意味著系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)越慢，即頻率到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間更長。

為使VSG在給定功率變化時(shí)有更快的響應(yīng)速度，結(jié)合虛擬轉(zhuǎn)子慣量與功率振蕩的關(guān)系，本文將頻率的偏移量記為：

圖4 基于旋轉(zhuǎn)慣量的VSG控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure diagram of VSG controller based on rotational inertia

(6)

將其作為變化量，可寫出旋轉(zhuǎn)慣量J的自適應(yīng)函數(shù)式為：

(7)

其中，J0為VSG投入穩(wěn)定運(yùn)行的初始轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωg為低通濾波器參數(shù)；k為頻率變化量的限定數(shù)值，它的取值根據(jù)微電網(wǎng)質(zhì)量要求的頻率波動(dòng)范圍與實(shí)際運(yùn)行情況決定；kf為頻率跟蹤系數(shù)，它決定頻率誤差反饋?zhàn)饔玫膹?qiáng)弱，即旋轉(zhuǎn)慣量J跟隨頻率偏差變化的能力。kf的選取原則為：①當(dāng)kf選取較大值時(shí)，能夠根據(jù)虛擬轉(zhuǎn)子頻率變化率df/dt有效地改變旋轉(zhuǎn)慣量J的大小，有助于減小暫態(tài)過程的超調(diào)量，但若kf取值過大，則J的值也較大，可能出現(xiàn)與直流側(cè)儲(chǔ)能裝置動(dòng)態(tài)特性不匹配的問題；②當(dāng)kf的值選取得過小時(shí)，旋轉(zhuǎn)慣量J對(duì)頻率變化做出響應(yīng)的能力不足，減緩頻率變化的效果不佳。因此，在選取kf時(shí)，要綜合考慮系統(tǒng)對(duì)于暫態(tài)響應(yīng)超調(diào)和整體阻尼的要求。在實(shí)際工程中，kf的取值還要考慮直流側(cè)儲(chǔ)能裝置和微電網(wǎng)響應(yīng)特性等方面的要求。

由式(7)可知，J的自適應(yīng)取值步驟為：首先判斷頻率的偏移量與設(shè)定數(shù)值k之間的關(guān)系，若Δf0時(shí)采用J0作為旋轉(zhuǎn)慣量。

本文提出的這種新型的自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量方法具有以下的特點(diǎn)：

a. 當(dāng)微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)中沒有大的擾動(dòng)時(shí)，采用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)慣量數(shù)值，VSG運(yùn)行滿足功率的要求；

b. 當(dāng)系統(tǒng)中有較大負(fù)荷，微電源的投入或者切除時(shí)，系統(tǒng)的頻率偏移大于設(shè)定數(shù)值，為了減少系統(tǒng)的頻率變化帶來的問題，采用新型的旋轉(zhuǎn)慣量的方法；

c. 新的旋轉(zhuǎn)慣量中引入了低通濾波器單元，能消除線路中的不確定因素，這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在負(fù)荷變化情況下保持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定；

我省為爭當(dāng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的排頭兵，必須要建設(shè)更加完善的農(nóng)業(yè)管理體系，深化農(nóng)業(yè)科技體制的變革，開展高水準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理工作可為我省農(nóng)業(yè)綜合改革提供動(dòng)力，加快由農(nóng)業(yè)大省向農(nóng)業(yè)強(qiáng)省的轉(zhuǎn)變。

d. 在新型VSG控制方法啟動(dòng)一定時(shí)間之后，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，頻率開始恢復(fù)到穩(wěn)定數(shù)值，這時(shí)候頻率的變化率可能發(fā)生反向變化，此時(shí)采用傳統(tǒng)的VSG控制方法可以有效快速地使頻率恢復(fù)到額定數(shù)值。

3 新型VSG控制器結(jié)構(gòu)

根據(jù)前文所述，可以建立逆變器的新型VSG控制器的結(jié)構(gòu)框圖，如圖4所示。圖中，Unref和Uabc分別為定子端電壓和負(fù)載電壓；IL和Io分別為電感電流和負(fù)荷電流；KPWM表示逆變器的等效模型。電壓外環(huán)采用PI控制器穩(wěn)定負(fù)載電壓，電流內(nèi)環(huán)采用P控制器提高響應(yīng)速度，其中Kup、Kui分別為電壓環(huán)PI控制的比例系數(shù)、積分系數(shù)，Kip為電流環(huán)比例系數(shù)。新型VSG控制器包含有功下垂調(diào)節(jié)、無功下垂調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性、電氣實(shí)現(xiàn)和電壓電流雙環(huán)控制5個(gè)模塊。其中，電氣實(shí)現(xiàn)部分包含合成電壓部分和同步電機(jī)的2階電壓模型。

旋轉(zhuǎn)慣量J的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)在轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)。在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文提出的基于自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量的VSG控制器中增加了旋轉(zhuǎn)慣量J的自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制，其具體實(shí)現(xiàn)過程為：① 動(dòng)態(tài)獲取頻率的偏移量Δf和頻率變化率df/dt；② 比較頻率的偏移量Δf與設(shè)定值k的關(guān)系，若Δf0時(shí)，旋轉(zhuǎn)慣量為J0。

同步電機(jī)的二階模型中電壓方程可以表示為：

E*=Unref+Isabc(Ra+jXd)

(8)

其中，E*、Isabc分別為勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)、定子電流；Ra、Xd分別為定子電樞電阻、同步電抗。式(8)代表同步發(fā)電機(jī)定子的電氣特性，與式(1)代表的轉(zhuǎn)子機(jī)械特性相對(duì)應(yīng)，兩者綜合即為同步發(fā)電機(jī)的二階模型方程。

4 仿真分析

本文在MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)上搭建了如圖1所示VSG結(jié)構(gòu)的仿真模型，并根據(jù)文中的分析，對(duì)自適應(yīng)控制方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，由此驗(yàn)證本文所提VSG控制策略的正確性。仿真系統(tǒng)參數(shù)如下：Rf=0.1 Ω，Lf=1.5 mH，Cf=2 000F，Zline=0.1+j0.001 Ω，E0=311 V，Pset=20 kW，ω0=314 rad /s，Qset=10 kvar，ωg=3，D=20，Kup=10，Kui=100，Kip=5，fs=6 000 Hz，Kv=0.1，J0=0.5 kg·m2。

為了驗(yàn)證本文所提的自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量VSG控制策略的可行性與有效性，與傳統(tǒng)VSG控制策略進(jìn)行了仿真比較。

圖5 2種控制方法下電壓波形及其THDFig.5 Waveforms of voltage and THD under two control methods

圖6 2種控制方法下功率波形Fig.6 Waveforms of power under two control methods

圖5為傳統(tǒng)VSG控制與自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量VSG控制的運(yùn)行電壓情況。

對(duì)比圖5(a)與圖5(c)可見，傳統(tǒng)VSG控制方法的波形沒有進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)下的波形失真嚴(yán)重，穩(wěn)定以后的波峰附近亦有諧波；而自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量VSG控制方法整體要比傳統(tǒng)方法更好一些，穩(wěn)定狀態(tài)以后的波形更接近正弦波。對(duì)比圖5(b)與圖5(d) 可見，傳統(tǒng)VSG控制因采用恒定的旋轉(zhuǎn)慣量存在較多的諧波，其電壓總諧波畸變率THD(Total Harmonic Distortion)為7.95%，而本文提出的新型VSG控制算法的電壓THD降低為4.81%。

圖6為傳統(tǒng)VSG控制與自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量VSG控制的有功與無功波形。由圖可見，雖然改進(jìn)前、后功率的穩(wěn)定性都為有功40 kW、無功15 kvar，兩者數(shù)值上無明顯差異，但改進(jìn)后的逆變器在0.04 s便進(jìn)入了穩(wěn)定狀態(tài)，而傳統(tǒng)的逆變器在0.08 s進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，暫態(tài)時(shí)間過長。

圖7為負(fù)荷階躍變化時(shí)傳統(tǒng)VSG控制和新型VSG控制方法下的頻率波形。仿真時(shí)間為0.7 s，初始時(shí)負(fù)荷的有功功率為20 kW，無功功率為5 kvar，0.3 s后有功功率增至30 kW，無功功率增至10 kvar，0.6 s后有功功率恢復(fù)到20 kW，無功功率恢復(fù)到5 kvar。

圖7 負(fù)荷階躍變化時(shí)的頻率波形對(duì)比Fig.7 Comparison of frequency under load step change

由圖7可見，2種控制方法下負(fù)荷增加都會(huì)引起系統(tǒng)頻率的下降，這與傳統(tǒng)電網(wǎng)的特性相同。2種控制方法下VSG控制頻率也存在差異，傳統(tǒng)VSG控制方法下頻率降為49.75 Hz，而新型VSG控制方法下系統(tǒng)可以更快速地進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，在負(fù)荷增大的情況下可保證頻率為49.9 Hz，更接近工頻，有助于VSG的并網(wǎng)運(yùn)行。因此，本文所提VSG控制方法在穩(wěn)定系統(tǒng)頻率方面更加表現(xiàn)突出，大幅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

5 硬件實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提VSG控制方法的正確性，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上制作了一臺(tái)三相并網(wǎng)逆變器硬件樣機(jī)，其控制策略分別采用本文所提的自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量VSG控制與傳統(tǒng)VSG控制2種控制策略。

圖8為并網(wǎng)逆變器的硬件結(jié)構(gòu)框圖。圖中，主電路選用CM50MX-24A三菱IGBT模塊，三相全橋逆變電路經(jīng)LC濾波器接入母線；驅(qū)動(dòng)電路采用HCPL-316J 驅(qū)動(dòng)芯片；檢測(cè)電路由電壓、電流傳感器和信號(hào)調(diào)理電路組成，它們主要采樣逆變器的直流側(cè)、輸出側(cè)的電壓和電流、電網(wǎng)電壓；DSP控制板中的控制芯片采用公司生產(chǎn)的芯片DSP28335，該芯片具有強(qiáng)大的事件管理能力和控制能力。

圖8 并網(wǎng)逆變器的硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.8 Hardware structure of grid-connected inverter

硬件裝置的相關(guān)參數(shù)與軟件仿真數(shù)據(jù)基本一致。它們的取值分別為：直流側(cè)電壓Udc=450 V、電容Cdc=3 300F，交流濾波器的電感Lf=2 mH、電容Cf=25F，交流相電壓幅值Ua=311 V，開關(guān)頻率fs=6 kHz，調(diào)節(jié)周期為 0.1 ms，有功功率、無功功率的給定值分別為Pref=35 kW、Qref=0。

圖9、圖10分別為本文所提VSG控制和傳統(tǒng)VSG控制方法的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形。本文所提VSG控制的三相電流波形導(dǎo)入 MATLAB，通過快速傅里葉分析得到a、b、c三相電流的THD分別為2.2%、2.0%、 2.2%，功率因數(shù)為99.4%；傳統(tǒng)VSG控制的a、b、c三相電流的THD分別為2.7%、2.3%、2.6%，功率因數(shù)為99.1%。兩者穩(wěn)態(tài)效果相差不多。由圖可見，2種方法的波形類似，它們的三相電壓和電流正弦度良好，THD為2.5%左右，功率波動(dòng)不大，本文所提VSG控制指標(biāo)要稍好于傳統(tǒng)VSG控制。

圖9 本文所提VSG控制的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Steady-state experimental waveforms under proposed VSG control

圖10 傳統(tǒng)VSG控制的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Steady state experimental waveforms under traditional VSG control

圖11、圖12分別為有功功率給定變化時(shí)本文所提VSG控制、傳統(tǒng)VSG控制方法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形。有功功率給定由Pref=20 kW變?yōu)?5 kW，無功功率給定Qref=0保持不變。由圖可見，本文所提VSG控制基本無超調(diào)，但傳統(tǒng)VSG控制存在超調(diào)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間更長。

圖11 有功功率給定變化時(shí)所提VSG控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 Experimental waveforms of dynamic response under proposed VSG control when given active power changes

圖12 有功功率給定變化時(shí)傳統(tǒng)VSG控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形Fig.12 Experimental waveforms of dynamic response under traditional VSG control when given active power changes

與有功變化情況類似，由無功變化時(shí)2種控制方法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形(因篇幅限制略去)同樣可見，本文所提VSG控制的超調(diào)小于傳統(tǒng)VSG控制，且響應(yīng)速度也稍快。

因此，硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)果明了本文所提VSG控制的有效性和正確性。

6 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)VSG控制中存在暫態(tài)過程長、電能質(zhì)量差的缺點(diǎn)，本文提出了一種基于自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量的VSG控制策略。根據(jù)負(fù)載擾動(dòng)引起的頻率變化量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)慣量，能夠避免頻率迅速上升和跌落，改善頻率響應(yīng)特性。當(dāng)系統(tǒng)中有較大負(fù)荷的投入或者切除時(shí)，系統(tǒng)的頻率偏移大于設(shè)定數(shù)值，采用新型旋轉(zhuǎn)慣量控制方法可減少系統(tǒng)頻率變化帶來的問題。通過分析與實(shí)驗(yàn)可得出以下結(jié)論：

a. 相比于傳統(tǒng)VSG方法，本文所提VSG控制方法縮短了系統(tǒng)暫態(tài)過程，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間更短；

b. 本文所提VSG控制方法抵消了系統(tǒng)中的大量諧波，改善了VSG的電能質(zhì)量；

c. 本文所提VSG控制方法減小了輸出頻率下降的問題，在穩(wěn)定系統(tǒng)頻率方面表現(xiàn)更加突出，提高了系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性與可靠性。