趙友誠(chéng),朱長(zhǎng)青,劉金寧,安 樹,洪欣雨

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū), 石家莊 050003)

0 引言

隨著環(huán)境問(wèn)題的日益突出以及分布式發(fā)電技術(shù)的不斷成熟,以新能源發(fā)電為主、包含各種分布式發(fā)電單元(DG)的微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。在脫離了大電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)山區(qū)、海島等地區(qū),以太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源發(fā)電單元與柴油發(fā)電機(jī)組(DGS)并聯(lián)組成的獨(dú)立型微電網(wǎng)成為其主要的供電形式[3]。但是逆變器與柴油發(fā)電機(jī)組在響應(yīng)速度、輸出特性等方面有很大的不同,若將二者直接并聯(lián),會(huì)出現(xiàn)較大環(huán)流,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。

為了提高逆變器與柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性,國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了大量研究。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于模式期切換的逆變器與發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的控制策略,但該方法要區(qū)分逆變器在不同的運(yùn)行工況下發(fā)電機(jī)組并入的情況,控制過(guò)程較為繁瑣,不利于實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[6-8]提出了一種分層控制策略,通過(guò)在系統(tǒng)中設(shè)立各級(jí)通信線路,而后上級(jí)控制層經(jīng)由通信線路向并聯(lián)系統(tǒng)發(fā)出功率分配以及頻率穩(wěn)定的控制信號(hào),但是這種控制方法應(yīng)用在獨(dú)立型微電網(wǎng)中會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)模型的復(fù)雜性,降低可靠性。柴油發(fā)電機(jī)屬于機(jī)械慣性設(shè)備,而逆變器屬于電力電子設(shè)備,不具備柴油發(fā)電機(jī)那樣的慣性和阻尼特征。為此,有學(xué)者提出將同步發(fā)電機(jī)的調(diào)速和調(diào)壓控制方程加入到逆變器的控制中去,使得逆變器具有發(fā)電機(jī)那樣的慣性和阻尼特征,這就是虛擬同步機(jī)(virtual synchronous generator,VSG)控制策略[9]。文獻(xiàn)[10-13]提出了一種自適應(yīng)慣量系數(shù)法的VSG控制策略,使得逆變器在與柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)的過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)VSG慣量和阻尼系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整,并機(jī)切換過(guò)程更加平滑,但是這種控制方法更多地模擬的是同步發(fā)電機(jī)的特性,沒有考慮到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的特性,造成二者在并聯(lián)運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性欠佳。

在逆變器與柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)中,應(yīng)充分考慮到柴油發(fā)電機(jī)中發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行特性。但是現(xiàn)有的VSG控制策略大多只是模擬了同步發(fā)電機(jī)的特性,忽略了發(fā)動(dòng)機(jī)部分,這樣會(huì)使并聯(lián)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的沖擊和波動(dòng),不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。本文在分析VSG控制策略的基礎(chǔ)上,提出了一種逆變器虛擬柴油發(fā)電機(jī)控制策略,通過(guò)研究柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行特性,建立虛擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的模型;同時(shí)再結(jié)合VSG控制策略中虛擬勵(lì)磁機(jī)模型,建立虛擬勵(lì)磁機(jī)控制器模型,從而使得逆變器可以更好地模擬柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性,提高其與柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了本文所提策略的正確性和有效性。

1 虛擬同步機(jī)(VSG)控制策略

虛擬同步機(jī)控制策略的實(shí)質(zhì)是將同步發(fā)電機(jī)的控制算法加入到逆變器的控制策略中去,從而使得逆變器獲得類似同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性[14-15]?？紤]到VSG控制策略可以模擬同步發(fā)電機(jī)的外特性,本文中以此為基礎(chǔ)進(jìn)行逆變器和柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行控制策略研究。按照同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),虛擬同步機(jī)主要由兩部分組成:虛擬原動(dòng)機(jī)和虛擬勵(lì)磁機(jī)[16]。

1.1 虛擬原動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)

VSG中虛擬原動(dòng)機(jī)模擬的是同步發(fā)電機(jī)中原動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在系統(tǒng)負(fù)載有功功率變化導(dǎo)致頻率出現(xiàn)偏差時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)虛擬機(jī)械轉(zhuǎn)矩來(lái)調(diào)整有功功率的輸出,使得頻率穩(wěn)定在額定值附近。虛擬原動(dòng)機(jī)的功頻特性方程為:

(1)

式中:ω、ωn分別為實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度和額定角速度;Pm、Pn分別為虛擬同步機(jī)的輸出功率和額定功率;Kω為功頻調(diào)節(jié)系數(shù)。由式(1)可以看出,虛擬原動(dòng)機(jī)的功頻特性具有類似于同步發(fā)電機(jī)調(diào)速器的有功-頻率下垂特性,因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)系數(shù)Kω的值來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定,并且合理地分配各逆變器輸出的有功功率。虛擬原動(dòng)機(jī)的控制框圖如圖1所示。

圖1 虛擬原動(dòng)機(jī)控制框圖Fig.1 Control block diagram of virtual prime mover

由圖1可以看出虛擬原動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中可以直接由測(cè)得的頻率偏差來(lái)調(diào)整輸入的機(jī)械功率,整體控制十分簡(jiǎn)潔高效。但是虛擬原動(dòng)機(jī)僅能模擬同步發(fā)電機(jī)中原動(dòng)機(jī)的外特性,并不能模擬柴油發(fā)電機(jī)組中發(fā)動(dòng)機(jī)部分的特性。

1.2 虛擬勵(lì)磁機(jī)的設(shè)計(jì)

VSG中虛擬勵(lì)磁機(jī)模擬的同步發(fā)電機(jī)中勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要通過(guò)調(diào)整虛擬同步機(jī)的虛擬電勢(shì)來(lái)維持端電壓的穩(wěn)定以及無(wú)功功率的分配。其電壓控制方程為:

U=Un+Kq(Qn-Q)

(2)

式中:U為輸出端電壓的值;Un為空載電動(dòng)勢(shì);Qn為無(wú)功功率指令值;Q為輸出的無(wú)功功率;Kq為無(wú)功電壓調(diào)差系數(shù)。由式(2)可以看出,虛擬勵(lì)磁機(jī)也具有類似于同步發(fā)電機(jī)的無(wú)功-電壓下垂特性,當(dāng)負(fù)載無(wú)功功率變化時(shí)可以通過(guò)調(diào)整VSG的虛擬電勢(shì)U來(lái)實(shí)現(xiàn)端電壓的穩(wěn)定及系統(tǒng)無(wú)功功率的調(diào)整。虛擬勵(lì)磁機(jī)的控制框圖如圖2所示,當(dāng)無(wú)功功率變化時(shí)控制器可以迅速響應(yīng),通過(guò)調(diào)節(jié),維持端電壓穩(wěn)定在額定值附近。

圖2 虛擬勵(lì)磁機(jī)控制框圖Fig.2 Control block diagram of virtual exciter

1.3 虛擬同步機(jī)整體控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

逆變器的虛擬同步機(jī)控制策略是基于同步發(fā)電機(jī)原理建立的控制方法,可以模擬同步發(fā)電機(jī)的慣性與阻尼、有功調(diào)頻以及無(wú)功調(diào)壓的下垂特性,從而穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓和頻率,提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)合2.1、2.2建立的虛擬原動(dòng)機(jī)以及虛擬勵(lì)磁機(jī)模型,可得到VSG的控制結(jié)構(gòu),如圖3所示。

圖3 VSG控制框圖Fig.3 VSG control block diagram

由圖3可以看出VSG控制策略具有類似于同步發(fā)電機(jī)的下垂控制特性,因此在多逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)可以維持系統(tǒng)頻率和電壓的穩(wěn)定,還可以合理地進(jìn)行功率分配。但是VSG控制策略沒有考慮到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)部分,會(huì)使逆變器與柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的沖擊和波動(dòng),系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。在研究逆變器與柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的問(wèn)題時(shí),應(yīng)充分考慮到柴油發(fā)電機(jī)中發(fā)動(dòng)機(jī)部分的輸出特性。本文中在VSG控制策略的基礎(chǔ)上,結(jié)合柴油發(fā)電機(jī)中原動(dòng)機(jī)和勵(lì)磁機(jī)的控制方程,得到虛擬柴油發(fā)電機(jī)控制策略,可以提高逆變器與柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2 虛擬柴油發(fā)電機(jī)控制策略

逆變器采用虛擬柴油發(fā)電機(jī)控制策略可以很好地模擬柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,從而提高其和柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。虛擬柴油發(fā)電機(jī)主要包括兩部分:虛擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和虛擬勵(lì)磁機(jī)控制器,本節(jié)主要對(duì)這兩部分的工作原理以及控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

2.1 虛擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)

虛擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)模擬的是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的功能,當(dāng)系統(tǒng)有功負(fù)荷發(fā)生變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí),調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的差值控制汽門的開度,從而調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率,實(shí)現(xiàn)新的功率平衡。按照柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),虛擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)可分為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、油門執(zhí)行器和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)3個(gè)部分。下面介紹各個(gè)部分的工作原理及其數(shù)學(xué)模型,并在此基礎(chǔ)上建立虛擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的控制模型。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由轉(zhuǎn)速傳感器和控制器兩部分組成,用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的控制模型可以用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)模擬,其傳遞函數(shù)如下所示:

(3)

式中:T1為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的慣性時(shí)間常數(shù);Kp、Ki、Kd分別為PID控制器中的比例、積分和微分系數(shù)。

油門執(zhí)行器的作用是接收轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器發(fā)出的油量給定信號(hào),控制噴油泵向氣缸內(nèi)泵入定的油量,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。油門執(zhí)行器的控制模型可以等效為慣性放大環(huán)節(jié),其傳遞函數(shù)如下所示:

(4)

式中:T2為油門執(zhí)行器的慣性時(shí)間常數(shù);K1為油門執(zhí)行器的增益。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的作用是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,并作為原動(dòng)機(jī)向外輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩,拖動(dòng)同步發(fā)電機(jī)發(fā)電,其傳遞函數(shù)如下所示:

(5)

式中:T3為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù);K2為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的增益。

虛擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為虛擬柴油發(fā)電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng),在運(yùn)行過(guò)程中首先由下垂控制環(huán)節(jié)生成轉(zhuǎn)速的參考值,而后將其與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值依次經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、油門執(zhí)行器與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)模型后向外輸出功率。虛擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的控制模型如圖4所示。

圖4 虛擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)控制框圖Fig.4 Virtual diesel engine control block diagram

2.2 虛擬勵(lì)磁機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

柴油發(fā)電機(jī)中勵(lì)磁系統(tǒng)的主要作用是保證端電壓的穩(wěn)定,具體工作過(guò)程為:當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的端電壓發(fā)生變化時(shí),勵(lì)磁調(diào)壓器(AVR)通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)改變勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì),進(jìn)而保證端電壓的穩(wěn)定。虛擬柴油發(fā)電機(jī)中勵(lì)磁機(jī)控制器的功能和柴油發(fā)電機(jī)中勵(lì)磁系統(tǒng)的功能類似,保證輸出端電壓的穩(wěn)定。對(duì)照柴油發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng),虛擬勵(lì)磁機(jī)控制器可分為以下3個(gè)部分:電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)、反饋控制環(huán)節(jié)以及勵(lì)磁電壓穩(wěn)定環(huán)節(jié)。

電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)主要是檢測(cè)輸出端電壓的幅值,配合無(wú)功下垂環(huán)節(jié)生成系統(tǒng)電壓的參考值,該過(guò)程存在延遲環(huán)節(jié)。其值可由式(6)求得:

(6)

式中:Um為電壓幅值;Ud和Uq分別為輸出端電壓在d軸和q軸上的分量;T4為延遲環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。

反饋控制環(huán)節(jié)主要是對(duì)端電壓的變化快速響應(yīng),縮短調(diào)整時(shí)間。此過(guò)程可以等效為慣性放大環(huán)節(jié),傳遞函數(shù)如下所示:

(7)

式中:K3為反饋控制環(huán)節(jié)的放大系數(shù);T5為時(shí)間常數(shù)。

勵(lì)磁電壓穩(wěn)定環(huán)節(jié)主要是穩(wěn)定輸出端電壓,減小超調(diào)量,縮短調(diào)整時(shí)間。該過(guò)程也可等效為慣性放大環(huán)節(jié),傳遞函數(shù)如下:

(8)

式中:K4為放大系數(shù);T6為時(shí)間常數(shù)。

虛擬勵(lì)磁機(jī)控制器具體的工作流程是:首先由無(wú)功下垂環(huán)節(jié)得到參考電壓Uref,再由電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)得到電壓幅值Um,而后將Uref與Um的差值經(jīng)由反饋控制環(huán)節(jié)以及勵(lì)磁電壓穩(wěn)定環(huán)節(jié)后得到電壓E,穩(wěn)定輸出電壓。其控制框圖如圖5所示。

圖5 虛擬勵(lì)磁機(jī)控制器控制框圖Fig.5 Control block diagram of virtual exciter controller

2.3 虛擬柴油發(fā)電機(jī)的整體控制策略

虛擬柴油發(fā)電機(jī)控制策略是在VSG控制策略的基礎(chǔ)上提出的,由3.1和3.2建立的虛擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和虛擬勵(lì)磁機(jī)控制器的模型可以看出:采用虛擬柴油發(fā)電機(jī)控制策略的逆變器可以更好地模擬柴油發(fā)電機(jī)組的輸出特性,進(jìn)而提高逆變器與柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在圖3中,將VSG控制策略中的虛擬原動(dòng)機(jī)和虛擬勵(lì)磁機(jī)替換為虛擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和虛擬勵(lì)磁機(jī)控制器即可完成虛擬柴油發(fā)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證虛擬柴油發(fā)電機(jī)控制策略的有效性,在Simulink中搭建逆變器與柴油發(fā)電機(jī)組的并聯(lián)仿真模型,二者額定容量均為10 kW,仿真參數(shù)如表1、表2所示。

表1 逆變器控制參數(shù)Table 1 Inverter control parameters

表2 柴油發(fā)電機(jī)組參數(shù)Table 2 Parameters of diesel generator set

3.1 2種控制方法輸出特性與柴油發(fā)電機(jī)組比較分析

為驗(yàn)證逆變器采用虛擬柴油發(fā)電機(jī)控制策略的輸出特性相比VSG控制策略更接近柴油發(fā)電機(jī)組的輸出特性,仿真工況設(shè)置如下:新能源逆變器帶4 kW的負(fù)載獨(dú)立運(yùn)行,初始仿真時(shí)間為3 s,在1 s時(shí)投入4 kW的負(fù)載,2 s時(shí)切除4 kW的負(fù)載,對(duì)比分析其分別采用VSG控制策略和虛擬柴油發(fā)電機(jī)控制策略的輸出特性。

從圖6和圖7的輸出頻率和功率波形圖可以看出:當(dāng)負(fù)載投切時(shí),采用虛擬柴油發(fā)電機(jī)控制策略的逆變器輸出頻率和功率的波形變化與發(fā)電機(jī)組的變化基本一致。仿真結(jié)果表明:采用虛擬柴油發(fā)電機(jī)控制策略的逆變器輸出特性更接近柴油發(fā)電機(jī)組的輸出特性。

圖6 輸出頻率波形Fig.6 Output frequency waveform

3.2 逆變器與柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行仿真分析

為驗(yàn)證逆變器采用虛擬柴油發(fā)電機(jī)控制策略可以和柴油發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行,并聯(lián)運(yùn)行工況設(shè)置如下:二者并聯(lián)后帶6 kW+2 kVar的負(fù)載運(yùn)行,仿真時(shí)間為4 s。在1 s時(shí)投入8 kW+6 kVar的負(fù)載,3 s時(shí)切除該負(fù)載并投入4 kW+2 kVar的負(fù)載,觀察逆變器和柴油發(fā)電機(jī)組輸出的頻率、有功功率、電壓幅值和無(wú)功功率的波形。

由圖8、圖9逆變器和柴油發(fā)電機(jī)組輸出的有功和無(wú)功功率波形圖可以看出:采用虛擬柴油發(fā)電機(jī)控制策略的逆變器與發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)可以實(shí)現(xiàn)功率的均分。由輸出頻率和電壓波形圖可以看出:當(dāng)負(fù)載投切時(shí),逆變器輸出頻率和電壓波形變化與發(fā)電機(jī)組基本一致,且動(dòng)態(tài)性能較好,到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)逆變器的頻率和電壓值略低于發(fā)電機(jī)組。

圖8 輸出頻率-有功功率波形Fig.8 Output frequency-active power waveform

圖9 輸出電壓-無(wú)功功率波形Fig.9 Output voltage-reactive power waveform

仿真結(jié)果表明:采用虛擬柴油發(fā)電機(jī)控制策略的逆變器和柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí),可以實(shí)現(xiàn)功率的合理分配;當(dāng)負(fù)載投切時(shí),逆變器和發(fā)電機(jī)組的輸出特性變化基本一致,二者可以穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

1) 逆變器虛擬柴油發(fā)電機(jī)控制策略的輸出特性相比虛擬同步機(jī)控制策略更接近柴油發(fā)電機(jī)組。

2) 采用虛擬柴油發(fā)電機(jī)控制策略的逆變器可以和柴油發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行,且功率可以合理分配。

3) 采用虛擬柴油發(fā)電機(jī)控制策略的逆變器在負(fù)載變化時(shí)頻率和電壓的變化率和調(diào)整時(shí)間要高于發(fā)電機(jī)組,如何使其動(dòng)態(tài)性能和發(fā)電機(jī)組趨于一致還需進(jìn)一步的研究。