基于虚拟同步发电机的光伏并网逆变器控制策略*
朱更辉, 陈国振, 韩耀飞
河南城建学院 电气与控制工程学院, 河南 平顶山 467000

作者简介: 朱更辉(1979-),男,河南郏县人,讲师,硕士,主要从事电力系统运行与控制等方面的研究.

摘要

针对采用常规恒功率控制方式下的光伏并网逆变器缺乏电压和频率动态调节能力的问题,提出一种基于虚拟同步发电机(VSG)的光伏并网逆变器控制策略.根据同步发电机的原理,建立同步发电机的并网等效电路和矢量关系表达式,设计了有功频率控制算法和无功电压控制算法,搭建了虚拟同步发电机控制策略下的光伏发电系统.在Matlab/simulink环境中建立了10kW的光伏并网系统.仿真结果表明,基于虚拟同步发电机的光伏并网逆变器具有与同步发电机相似的调频调压特性,能够较好地适应电网运行要求.

关键词: 光伏逆变器; 虚拟同步发电机; 等效电路; 矢量关系; 有功频率; 无功电压; 调频; 调压
中图分类号:TM615 文献标志码:A 文章编号:1000-1646(2017)04-0366-05 doi: 10.7688/j.issn.1000-1646.2017.04.02
Control strategy of photovoltaic grid-connected inverter based on virtual synchronous generator
ZHU Geng-hui, CHEN Guo-zhen, HAN Yao-fei
School of Electrical and Control Engineering, Henan University of Urban Construction, Pingdingshan 467000, China
Abstract

Aiming at the problem that the photovoltaic grid-connected inverter in conventional constant power control mode lacks the dynamic adjustment ability of voltage and frequency, a control strategy of photovoltaic grid-connected inverter based on virtual synchronous generator (VSG) was proposed. According to the principle of synchronous generator, the grid-connected equivalent circuit and vector relation expression of synchronous generator were established, the active frequency control algorithm and reactive voltage control algorithm were designed, and the photovoltaic power generation system based on the control strategy of VSG was established. The 10kW photovoltaic grid-connected system was established in Matlab/simulink environment. The simulated results show that the photovoltaic grid-connected inverter based on VSG has the similar frequency and voltage regulation characteristics with the synchronous generator, and can well adapt the requirements of grid operation.

Keyword: photovoltaic inverter; virtual synchronous generator; equivalent circuit; vector relation; active frequency; reactive voltage; frequency regulation; voltage regulation

随着能源危机的不断加剧, 以太阳能和风能为代表的可再生能源得到了越来越广泛的关注, 其中太阳能因具有绿色环保、资源丰富等优点, 成为了新能源发电的一种重要利用形式.然而, 光伏并网发电系统与传统火电机组发电相比具有较大的差异, 光伏逆变器是由大量电力电子元件组成, 虽然具有较快的响应速度和灵活的调节能力, 但缺乏发电机组的固有惯性环节, 其大规模接纳会带来很多问题, 输出功率的随机波动会引起电压频率的不稳定, 情况严重时会引起大规模光伏发电的连锁脱网, 为电力系统的安全稳定运行带来较大的隐患[1, 2].

针对如何提高光伏发电系统的电压频率调节性能以增强电网对其接纳能力的问题, 国内外学者开展了广泛研究.文献[3]提出一种基于最小阶观测器的频率控制策略, 该策略可自动分担负荷以达到同步发电机惯性的目的, 但会引起复杂的电网动态特性; 文献[4, 5]提出了一种无功功率闭环控制策略, 在很大程度上避免了无功环路引起的功率振荡问题, 但同时也存在复杂动态特性的问题; 文献[6, 7]根据同步发电机的功率分摊特性, 提出了有功频率和无功电压的下垂控制策略, 使并网逆变器无需通信即可实现输出功率的调节, 但是该策略没有考虑转子惯性的特性, 不具备发电机惯性和阻尼特性.为完全模拟同步发电机的运行特性, 虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)的基本概念被提出[8, 9], 其基本思想是根据同步发电机基本控制理论, 将逆变器的控制策略加以改进, 使其可模拟同步发电机的输出调节特性.

本文根据同步发电机的转子运动方程和磁链方程来设计改进光伏并网逆变器的控制环路, 使其具备主动调频调压能力, 以模拟同步发电机的一次调频和励磁调压特性.在Matlab/simulink环境中建立基于虚拟同步发电机的光伏发电系统, 验证了控制策略的有效性.

1 同步发电机原理

同步发电机是电力系统的重要组成部分, 为电网提供了大量的惯性环节.若将同步发电机的这种惯性特点应用到光伏并网逆变器的控制方法中, 需了解同步发电机的基本原理, 为适应大多场合的分析, 一般将同步发电机的数学模型进行简化分析.在光伏并网逆变器的控制策略当中, 主要模拟同步发电机的有功-频率和无功-电压调节特性.

首先分析同步发电机的矢量关系, 其并网等效电路及电压电流向量关系如图1和图2所示.图1中Us为同步发电机的等效内部电动势, RL分别为同步发电机并网等效电阻及电感, Ug为并网电压, Ig为同步发电机输出电流.图2中φ 为同步发电机与电网之间的相位角, X为电抗, 同时假设电网电压方向与d轴同方向, q轴与d轴垂直.

图1 同步发电机并网等效电路Fig.1 Grid-connected equivalent circuit of synchronous generator

图2 同步发电机并网矢量关系图Fig.2 Grid-connected vector relation of synchronous generator

将电压和电流信号分别分解到dq轴上, 可以求出并网输出电流在dq轴上的数学表达式为

IdrefIqref=Y UsdUsq-UgdUgq(1)

式中:Y为导纳矩阵; UsdUsq为同步发电机内电势的直轴分量; UgdUgq为电网电压的直轴分量.相应表达式分别为

Y= YddYdq-YdqYdd= 1R2+X2RX-XR(2)

U˙s= UsdUsq= UscosφUssinφ(3)

相位角φ 可表示为发电机转子角速度ω 与电网系统角速度ω g差的积分, 即

φ=0t(ω-ωg)dt(4)

在实际同步机发电系统中转子的角速度ω 一般是由调速器决定的, 与有功和角频率有关; 而内部的电动势一般是由励磁调节系统决定的, 与无功和电压有关.因此, 可根据同步发电机的运动方程, 将调速器一次调频模型和励磁调压模型特性模拟到光伏逆变器的控制电路中, 从而使光伏逆变器具有与同步发电机相一致的响应特性.

2 虚拟同步发电机控制算法

由上述分析可知, 光伏并网逆变器在模拟同步发电机控制时, 应构造有功频率和无功电压两个控制器.其中, 有功频率控制器主要反应的是同步发电机的机械惯性以及阻尼特征, 无功电压控制器则模拟的是同步发电机的电压调节特性.

2.1 有功频率控制算法

在常规电力系统中同步发电机具有一定的惯性, 频率不会发生突变, 根据同步发电机的转子运动方程[10], 在光伏并网逆变器控制电路中引入虚拟惯性控制来模拟同步发电机的转子运动方程, 其功率和频率控制方程为

2H dt=Pi-Po-Kd(ω -ω g) (5)

式中:H为虚拟惯量常数, 与同步发电机的转动惯量J相对应[10]; PiPo为光伏逆变器的输入和输出功率; Kd为阻尼系数.

为增强光伏并网逆变器的调频能力, 使其在负荷波动时能提供一定的频率支撑, 提出一种有功-频率下垂控制器, 其表达式模型为

Pi-Pref= 1Dp(ω -ω g) (6)

式中:Pref为有功参考值; Dp为有功功率的下垂系数.

根据式(5)和式(6)可求得光伏并网逆变器的调速器模型, 其有功功率与频率的传递函数为

(ω-ωg)1Dp+Pref-Po-Kd(ω-ωg)12Hs(7)

有功功率与频率控制框图如图3所示.

图3 有功功率-频率控制原理框图Fig.3 Principle diagram of active power-frequency control

由图3可以看出, 当频率发生微小波动时, 系统可保持转子运动特性, 且可提供附加的功率以减小系统的频率波动, 从而实现系统频率支撑功能.阻尼模块可使逆变器频率与电网频率保持一致.

2.2 无功电压控制算法

采用相同的方法, 根据同步发电机的励磁调节系统[10], 设计光伏并网逆变器的无功功率和电压控制算法, 结果如图4所示.

图4 无功功率-电压控制原理框图Fig.4 Principle diagram of reactive power-voltage control

图4中Qref为无功参考值, Qo为无功功率输出值, Dq为无功功率的下垂系数, Ta为延迟时间常数, Eset为光伏逆变器端电压参考值, Eg为无功控制环的输出信号, kp1ki1为无功环的比例、积分系数.由图4可求得光伏并网逆变器的参考电压表达式为

E=Eset-DqQo+(Qref-Qo) kp1+ki1s11+Tas(8)

PI控制器控制无功功率的输出大小, 而延时环节则可防止无功波动太快而带来的不利影响, 减小特定条件下的系统冲击.

2.3 整体控制算法

基于虚拟同步发电机的光伏并网控制策略框图如图5所示.为了更好地研究光伏逆变器的VSG控制算法, 忽略了储能的动态响应, 在惯性调节期间, 可通过设置储能的输出来保证逆变器的输出功率与输入功率是不相等的.

图5 虚拟同步发电机控制框图Fig.5 Control diagram of VSG

图5中Ud为直流侧电压, Iabc为并网逆变器输出三相电流, Uabc为LC滤波器电容电压.当光伏并网逆变器工作在虚拟同步发电模式时, 控制系统会根据有功功率和无功功率的参考值, 经有功-频率和无功-电压控制算法后分别输出角频率和电压参考值, 再根据同步发电机的矢量关系表达式求出其在dq坐标轴下的电流, 最后通过与实际值比较之后生成PWM信号来驱动开关.在这种工作模式下, 光伏并网逆变器具备了虚拟的转动惯量, 增加了并网系统的旋转惯量, 改善了并网系统的电压频率调节特性.

3 仿真验证

为了验证本文所提虚拟同步发电机控制策略的有效性, 在Matlab/simulink软件上搭建了虚拟同步发电机控制下的光伏并网发电系统.系统参数为:额定功率PN=10kW, Ug=380V, 逆变器直流电压Ud=800V, 直流侧电容C=8000μ F, 逆变器滤波参数L1=4mH, L2=0.5mH, C0=15μ F, 电阻R=0.01Ω , 开关频率f=2000Hz, H=1/3000, Dp=16.2, Dq=545.

电网稳定运行时虚拟同步光伏逆变器并网仿真结果如图6~8所示, 1s时有功指令由0W增加至10000W, 3s时无功指令由0Var增加至2000Var.从仿真结果可以看出, 虚拟同步发电机能够快速精确地跟踪指令值, 并维持在稳定运行状态.

图6 光伏并网逆变器输出功率Fig.6 Output power of photovoltaic grid-connected inverter

图7 光伏并网逆变器输出电压Fig.7 Output voltage of photovoltaic grid-connected inverter

图8 光伏并网逆变器频率Fig.8 Frequency of photovoltaic grid-connected inverter

电网电压及频率波动时虚拟同步光伏逆变器并网仿真结果如图9~10所示.

图9 电网电压跌落5%时的逆变器输出功率Fig.9 Output power of inverter with grid voltage dropping by 5%

图10 电网频率上升0.2Hz时的逆变器输出功率Fig.10 Output power of inverter with grid frequency increasing by 0.2Hz

图9为当2s时电网电压跌落5%时的并网逆变器输出有功功率和无功功率.由图9可知, 并网逆变器的输出无功功率快速跟踪电压的变化, 有功功率不变.图10为当2s时电网频率跃升0.2Hz时并网逆变器输出有功功率和无功功率.由图10可知, 并网逆变器的输出有功功率快速跟踪频率的变化, 无功功率不变.因此该系统具有同步发电机的暂态调节特性, 其控制器能够有效模拟同步机特性.

4 结 论

本文分析了虚拟同步发电机的基本原理和并网等效矢量关系图, 根据同步发电机的调速器和励磁调压特性, 设计了光伏并网逆变器的虚拟同步发电机控制算法, 并在Matlab/simulink环境中搭建了仿真模型, 对提出的控制算法进行了验证.仿真结果表明, 并网逆变器输出电压和频率能够通过无功电压控制环和有功频率控制环直接调节, 结合同步发电机转子运动方程, 使并网逆变器较好地模拟了同步发电机的惯性响应能力.提出的控制策略能够提高并网系统的电压频率调节能力, 有利于系统的稳定运行.

The authors have declared that no competing interests exist.

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