新型虚拟同步发电机控制方法及其暂态过程自适应控制策略

新型虚拟同步发电机控制方法及其暂态过程自适应控制策略A Control Approach of Novel Virtual Synchronous Generator and An AdaptiveControl Strategy for Its Transient Process邹蕴韬, 张海涛, 刘春阳, 陈欣琰, 王秀丽, 宁联辉西安交通大学 电气工程学院,陕西省 西安市 710049ZOU Yuntao, ZHANG Haitao, LIU Chunyang, CHEN Xinyan, WANG Xiuli, NINGLianhui School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, ShaanxiProvince, China 邹蕴韬(1991),男,硕士研究生,通信作者,主要研究方向为多端口柔性直流输配电、交直换流器在电力系统中的控制,E-mail：zyt30064282@gmail.com;张海涛(1991),男,博士研究生,研究方向为直流输配电、风力发电、高电压大功率变流器在电力系统中的应用,E-mail：htzhangee@gmail.com; 王秀丽(1961),女,教授,博士生导师,主要研究方向为电力系统规划、电力系统可靠性与电力市场,E-mail：xiuliw@xjtu.edu.cn;宁联辉(1979),男,高级工程师,硕士生导师,主要研究方向为分频输电、柔性直流输电,E-mail：ninglianhui@163.com。基金项目： 国家重点研发计划“智能电网技术与装备”专项(2016YFB0900900); ProjectSupported by Special Project“Smart Grid Technology and Equipment”of NationalKey Research and Development Program of China (Grant 2016YFB0900900); 文章编号: 1000-3673（2018）03-0933-09 中图分类号: TM721摘要针对分布式电源并网存在波动性的问题,提出了一种新型虚拟同步发电机控制方法及其相应的暂态过程自适应控制策略。该虚拟同步发电机控制方法利用状态反馈解耦和输入前馈的方法改进了逆变器矢量控制结构;根据转子机械运动方程建立有功控制环,并在原有直流功率中加入直流电压调节分量实现稳定直流电压的控制。该方法整体具有明显的二阶系统特性,并且其控制参数与其自身时域特性形成了简洁而明确的关系。而其暂态过程自适应控制策略通 过综合考虑电网的频率偏移和分布式电源的功率波动,自适应配置虚拟同步机的相应参数,改变暂态过程的动态特性,以调节并网系统等效惯性。仿真结果证明了该方法及其理论分析的有效性和正确性。关键词 : 分布式电源; 虚拟同步发电机; 暂态过程; 自适应控制; 惯性调节;DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2017.1699ABSTRACTIn this paper, a control approach of novel virtual synchronous generator (VSG) and an adaptive control strategy for its transient process are proposed confronting the problem of the power fluctuation of distributed power sources. This novel VSGutilizes the method of state-feedback decoupling and input feedforward toimprove the structure of vector control for inverter. The active power control loopis established based on the equation of mechanically kinetic rotation. In addition,the power component for adjusting voltage of DC-side is added into original powerof DC-side to control the DC voltage stable. This approach has classical and evidentstructure of second-order system. Moreover, its control parameters have clear and practical relations with its own characteristics in time domain. The adaptive controlstrategy for its transient process, according to the offset of frequency of power gridand the magnitude of power fluctuation of distributed power sources, couldconfigure the control parameters of VSG, regulate the dynamic characteristic ofVSG in time domain adaptively to adjust the equivalent inertia of system. Theresults of simulation give evidences to confirm the feasibility and the correctness ofthis control approach, control strategy and their theoretical analysis corresponding. KEY WORDS : DG; virtual synchronous generator; transient process; adaptivecontrol;inertia adjusting;0 引言随着分布式电源的大力发展和并网逆变器技术的成熟,大量的可再生能源如风能、太阳能等通过并网逆变器组成分布式电源接入电网。近些年来分布式电源渗透率增加而传统机组容量减少,系统中的转动惯量和旋转备用容量的相对减少,而分布式电源功率存随机性和波动性,因此对电力系统的稳定运行产生了一定的不利影响。 随着电力电子技术的发展,相关学者提出了虚拟同步发电机(virtual synchronousgenerator,VSG)的控制方法。VSG 控制建立在电压源型并网逆变器的基础上,使逆变器具有同步发电机的惯性、一次调频和一次调压特性等特点,因其有望解决分布式电源大规模接入电网造成的稳定性问题而受到广泛关注。文献[1-4]综合介绍了 VSG 控制的发展和应用的概况,包括各类具体的 VSG 控制方案和关键技术等。文献[1,2,5]详细的介绍了 VSG 中的Synchronverter 的基本原理、控制方法及其在智能电网中的应用情况。文献[6-8]从控制原理、动态性能和稳定性等不同角度对比了 VSG 控制和下垂控制之间的相同点和不同点。文 献[9]建立了 VSG 的工频小信号模型,并提供了相关参数的设计方法。文献[10]从数学模型的角度上对比了同步发电机和逆变器,分析并论证了基于逆变器的物理结构实现 VSG 控制的可行性。随着 VSG 逐步发展,不同技术点上出现了大量的革新。文献[11-13]考虑了 VSG 应用于分布式电源接入微网时并网/孤岛运行的模式判断与无缝切换技术,提高了 VSG 的稳定性和并网的可靠性。其中文献[13]分析了电路参数对控制性能的影响,并给出了阻尼和惯性的整定方法。文献[5, 14-16]利用电力电子装置控制的优势实现 VSG 转子惯量的可控性,从而提高 VSG 追踪稳态频率的响应速度。文献[17]用虚拟阻抗技术改善 VSG 功率下垂特性。文 献[18]分析了 VSG 对电网三相电压不平衡时存在的问题,并通过加入负序电流抑制实现三相电流平衡。文献[19]通过分析 VSG 功率输出的时域动态特性,为相应的储能装置的性能指标的设计提供了依据。目前常见 VSG 控制方法如 Synchronverter、二阶系统模拟等,既没有充分利用控制的灵活性实现根据电网状态改变自身特性,其参数设计也较为孤立,没有明确的意义和联系。本文所述的新型 VSG 控制方法和自适应控制策略,其创新工作点在于：1）改进了传统矢量控制和传统 VSG 控制,使其融合为有机整体,形成了新型 VSG 控制。 2）针对所提新型 VSG 控制,利用零极点配置的思想,提出了的基于时域动态特性的控制参数两级求解方法。3）分析了 VSG 影响系统惯性的基本机理,并基于时域动态特性和电网运行状况,提出了暂态自适应控制策略。因而其总体呈现的效果与功能为：1）VSG 控制的参数与其自身时域特性形成了简洁而明确的关系,利用时域动态性能指标可以直接换算得到参数,实现了控制参数的实时动态计算。 2）VSG 在响应系统或自身功率波动时,可以在暂态过程结束后自动回复直流系统的电压水平,保证直流系统稳定运行。3）通过自适应控制的方法调节 VSG 的参数,在系统偏离工作点时增大系统等效惯性,在系统恢复工作点时减小系统等效惯性,提高电网的频率稳定性。针对未配置储能而直接与直流电源型的可再生能源相连的分布式电源,并结合上述思路,本文提出了基于模块化多电平变换器(modular multiple-level converter,MMC)的新型 VSG 控制方法及其相应的暂态过程自适应控制策略。本文首先建立新型 VSG 控制方法,该方法分为 2 部分：第一部分利用状态反馈解耦和输入前馈,建立了新的 MMC 矢量控制;第二部分建立功率参考层,有功控制环模拟转子机械方程实现虚拟转子惯量,并在原有直流功率中加入直流电压调节分量构成虚拟直流功率,实现 VSG 直流电压的控制,无功控制环采用传统 PI 控制。该方法的参数与控制的动态性能拥有简洁而明确的关系,因此可根据此关系迅速调节 VSG 控制的时域性能指标,为后续时域特性的自适应控制提供基础。其次建立了暂态过程自适应控制策略,通过检测电网频率偏移和分布式电源功率波动,通过自适应控制策略给出 VSG 的时域性能指标,并换算为 VSG 控制参数,应对不同情况改变 VSG 的暂态过程以改变系统的等效 惯性,减缓了分布式电源的波动对系统状态的改变。最后搭建 9 节点系统的 PSCAD/MTDC仿真平台验证控制方法的有效性。1 新型 VSG 控制结构1.1 全系统结构与概述新型 VSG 重建了传统 VSG 的控制结构,具体如图 1 所示。图 1 中：C dc 为直流侧支撑电容器;RL 为逆变器等效连接电阻、L 为逆变器等效连接电抗;可再生能源作为直流电源向 VSG 输入能量;P、Q 分别为测量的交流有功功率和无功功率;Pdc 为测量的直流功率;Pref、Qref 分别为参考有功功率和无功功率;upcc 为交流母线电压幅值;u、i分别为交流瞬时电压和电流;f 为测量的交流电网频率;Pm 为虚拟直流功率;xd、xq 分别为功率控制向矢量解耦控制器的状态反馈输入。各个变量具体的作用将在后续进行详述。定义逆变器的新型 VSG 控制整体分为 2 部分：VSG 参考功率层和 MMC 矢量控制层。VSG参考功率控制层根据暂态过程自适应控制策略调整自身参数,并向 MMC 矢量控制层输入功 率参考值。MMC 矢量控制层快速跟踪 VSG 参考功率层给出的功率参考值,实现 MMC 的物理输出。1.2 新型 VSG 中 MMC 矢量控制层设计本小节将线性控制理论中状态反馈和输入前馈的思想结合矢量控制的思想,建立新型 MMC矢量控制。该控制方法在克服参数摄动形成无差调节的基础上,不仅解决了电压电流双环矢量控制 PI 图 1 基于新型 VSG 的分布式电源的控制框图 Fig. 1 Control diagram of distributed generatorbased on the novel VSG control参数过多、难以整定的问题,而且提供了 MMC 输入、输出和控制器参数间简易而明确的关系,为后续分析与设计提供了数学基础。MMC 逆变器数简化学模型如图 2 所示。图 2 中：R0和 L0分别为桥臂等效电阻和桥臂电抗;Udc为直流电压;u i 和 ii 分别为交流测各相电压和电流瞬时值;vi 为桥臂连接点处电压;uij 为各组桥臂电压,i = a、b、c 表示交流电网三相,j = p、n 分别表示上下桥臂。 图 2 MMC 逆变器的简化数学模型 Fig. 2 Simplified mathematical model of MMC inverter选取 dq 坐标令 d 轴方向重合于电压矢量的方向,获得三相交流电压的 d 轴分量和 q 轴分量：ud=U (电压矢量),uq=0。而 id、iq 分别为三相交流电流的 d 轴分量和 q 轴分量,令R1=RL+R0/2,L1=L+L0/2,选取 id、iq 为状态变量,结合式(1)和 dq 坐标下功率表达,推导可得MMC 逆变器以 v d、vq 为输入,P、Q 为输出的状态空间表达式为式中ω为系统角频率。引入状态反馈构建新的输入 x d、xq[20],并将 P、Q 构建为具有相同动态响应的系统。因此,以 Pref 和 P、Qref 和 Q 的误差作为输入,同时引入前馈函数 k(s)对动态特性进行改善。配置前馈函数 k(s)为-kp,则系统的闭环传递函数构成典型二阶系统。 式中：λ为可控动态增益;kp 和 ki 分别为 PI 控制器的比例增益和积分增益,其参数的设置方法将在 2 节中详细阐述。MMC 矢量控制层的控制结构如图 3 所示。 图 3 MMC 矢量控制层的控制结构 Fig. 3 Control structure of MMC vector decoupling control1.3 新型 VSG 中 VSG 参考功率层设计VSG 参考功率层控制对有功和无功分别进行控制。无功控制依照母线电压矢量与参考值之间误差进行定交流电压控制。本节主要内容集中在有功控制。有功参考值控制由虚拟直流功率和转子运动模拟两部分组成,其具体流程为：逆变器在直流侧测量直流功率 P dc,并将其输入至虚拟直流功率控制生成虚拟直流功率 Pm。将 Pm 输入至转子运动模拟控制中生成有功参考值 Pref。对于虚拟直流功率控制,将直流功率输入 Pdc 和交流功率输出 P 之差的积分值作为直流侧支撑电容器能量误差,并基于此误差构建直流电压调节分量,进而形成虚拟直流功率 P m 输入VSG。虚拟直流功率控制的结构设计如图 4 所示,其中,KP 为比例控制增益。 图 4 虚拟直流功率控制的控制结构 Fig. 4Control structure of virtual DC power control由图 4 可得该控制的闭环传递函数为对于转子运动模拟控制,根据输入的功率信号 模拟转子的运动,同时输出功率参考值。根据一般 VSG 对该部分的设计 [15],转子运动模拟的控制结构如图 5 所示。其中增加一个比例控制,K为比例控制增益,以提高转子运动模拟控制的响应速度。 图 5 转子运动模拟控制的控制结构Fig. 5 Control structure of kinetic rotor simulation control由图 5 可知该控制的闭环传递函数为 2 新型 VSG 参数与时域特性的关系新型 VSG 的全部控制结构如图 6 所示。现对 VSG 参数根据一定的原则建立和确定 VSG 控制参数与其时域动态特性的关系,为时域动态可控性及后续的暂态自适应控制提供基础。 图 6 时域动态特性可控的新型 VSG 控制方法的结构 Fig. 6 Structure of the novel VSG controlapproach with dynamic characteristic controlled in time domain2.1 MMC 矢量控制层的参数设定原则式(3)与式(4)所述的 L0(s)和 K0(s)中均包含了式(2)的典型二阶系统 G(s)。为消除 G(s)的干扰,设定 G(s)的参数使其动态特性接近于阶跃响应,这样既消除 G(s)对 L 0(s)和 K0(s)动态特性的影响,也满足 VSG 模拟同步发电机特性的前提：内环控制器响应足够快[21]。因此将阻尼比设为 1 且设无阻尼角频率足够大,将式(2)改写为G(s)=3udλk(s+3udλki√)2G(s)=3udλk(s+3udλki)2 (5)因此根据上述设定原则,参数之间关系满足1+(3/2)udkp=6udki/λ−−−−−−−√1+(3/2)udkp=6udki/λ (6)其中设定参数为λ、k p 和 ki,根据实际电路特性决定其中任意 2 个参数并求得其余一个即可,并实现λ和 ki 的乘积尽可能大。2.2 VSG 参考功率层的参数设定原则根据 2.1 小节的原则,VSG 整体闭环传递函数可以简化为 利用 Laplace 变换及其终值定理对式(8)包含的直流电压调节分量设计的合理性进行理论验证,其结论为：当 Pdc 为阶跃响应时,虚拟直流功率控制可以使直流侧电压恢复至指定值,且不会受到控制参数的影响,其具体推导过程见附录。由于 M(s)是一个三阶系统,其时域动态特性的性能指标只能依赖于求解时域方程,增大了控制难度,因此需要在保证精度的基础上进行一定的简化。其思路为：使 M(s)的极点分布为 1个实极点、2 个共轭复极点,当实极点成为非主导极点后可视为一个二阶系统。因而 M(s)改写为M(s)= ω2ns2+2ξωns+ω2n⋅ (1+2ξΣωn−2ξΣωnΣs+Σ)M(s)=ωn2s2+2ξωns+ωn2⋅ (1+2ξΣωn−2ξΣωnΣs+Σ)(9)式中：Σ为实极点;ζ为共轭极点组成的二阶系统的阻尼比;ωn 为二阶系统的无阻尼角频率。当满足式(10)时,Σ成为非主导实极点。Σ≥7ξωnΣ≥7ξωn (10)改写后的 M(s)中的新参数与其原始参数的关系为 于是 M(s)简化为标准的二阶系统M(s)=ω2ns2+2ξωns+ω2nM(s)=ωn2s2+2ξωns+ωn2 (12)这里 M(s)的时域性能指标选用调节时间,如 式(13)所示,已知调节时间 ts 和阻尼比ζ即可通过式(11)和式(13)求得式(8)所示 M(s)的所有参数。ts=−ln(Δ1−ξ2√)ξωn,Δ=5ts=−ln⁡ (Δ1−ξ2)ξωn,Δ=5 (13)2.3 VSG 参数定原则综上所述,通过构建一定的参数关系和简化设定,得到 VSG 整体的闭环传递函数 M(s),以及利用需求的时域动态特性的性能指标反推 M(s)参数。这里对上述参数设计过程及目的进行总结,具体过程如图 7 所示。 1）为了避免参考功率层受到矢量控制层的特性的影响,矢量控制层的参数设计原则为其本身实现近似阶跃特性,其参数关系如式(6)所示。同时在 图 7 系统简化与参数计算过程 Fig. 7 Process of system simplification and parameters computation式(9)中通过配置实极点的位置使 VSG 整体的传递函数为式(12),其配置原则如式(10)所示。2）VSG 参数实时计算流程为：通过上层的暂态过程自适应控制策略给出的调节时间进行两级求解,第一级求解利用已知的调节时间和人为设定的阻尼比ζ,通过式(13)求得ωn,利用式(10)得到的实极点位置Σ,第二级求解利用ω n、Σ和式(11)求解式(8)中 M(s)的 J、D、Kp。 验证上述参数设定中各类简化的合理性：设未简化前 Pdc 到 P 的闭环传递函数为 M0(s),M0(s)和 M(s)的相互关系为P=Pdc⋅ M0(s)≈Pdc⋅ M(s)P=Pdc⋅ M0(s)≈Pdc⋅ M(s) (14)对 M0(s)和 M(s)的控制变量 J、D、Kp 在预估的稳定域内进行枚举,求解对应系统单位阶跃输入的动态响应并进行对比。M 0(s)和 M(s)的部分枚举动态响应误差如图 8 所示。J、D、Kp的变化见附录表 1 所示。简化系统与原系统动态响应误差在 6%以内,简化具有合理性。 图 8 M0(s)和 M(s)的部分枚举动态响应和误差 Fig. 8 Dynamic responses and error of M0(s)’s part enumerationsand M(s)’s part enumerations3 暂态过程自适应控制策略3.1 提高系统惯性机理对于全系统,在没有二次调频的前提下,角频率与转矩之间的关系,可表示为 式中：Js 为系统等效惯量;Tm 为机械转矩;Te 为电磁转矩;D 为系统等效阻尼系数;KG 为系统等效功频特性系数;KL为系统等效负荷频率特性系数;ΔP 为注入的不平衡功率;ω0为系统额定角频率。出力和负荷相等的部分已经扣除,对式(15)应用 Laplace 变换,可得 由此可以看出对于不平衡功率波动(视为阶跃响应),系统的角频率响应具有一阶惯性延迟的特性。该惯性延迟的时间常数与系统的等效惯量及其他与频率特性相关的系数代数和有关。二者皆为系统固有特征。当系统通过新型 VSG 注入 k 倍的单位阶跃功率时,可表示为可以看出,VSG 二阶惯性环节将延缓系统角频率的变化速率,由于系统的各个参数基本保持不变,即等同于增大了系统等效惯量 J s。虽然频率响应中出现了一个振荡分量,但该分量的衰减阻尼可控,VSG 自身不会发生弱阻尼振荡。VSG 控制自身可以以极快的速度至输出稳态,但利用 VSG 控制改善系统阻尼并非本文讨论的部分。3.2 控制策略设计根据一般性,当可再生能源机组出力产生的波动不利于系统保持稳定工作点时,希望系统此时具有较大的系统惯性,延缓系统角频率的变化,为调频调峰提供响应时间;当可再生能源机组出力产生的波动有利于系统保持或回复稳定工作点时,希望系统此时具有较小的系统惯性,加 快系统角频率的变化。VSG 的时域性能指标——调节时间,将依据该原则进行设定。为区分 VSG 的调节时间 ts 和暂态过程自适应控制策略输出的调节时间,现在规定暂态过程自适应控制策略的输出称为期望调节时间 H。该期望调节时间 H 将参与 2.3 节所述的两级求解。暂态过程自适应控制策略如图 9 所示。该策略的基本原理为：可再生能源机组的功率波动通过微分滞后环节和基于工作模式的比例调节换算为期望调节时间;微分滞后环节的增益系数通过电网频率与额定值的差值经过比例调节后给出;控制器进行系统运行状态的辨识并调 节工作模式,即切换不同的比例调节系数。图 9 中：fgrid 为电网实测频率,f0 为电网额定频率,Gf为频率偏移量增益,Gp0 为基础出力波动增益,Gp 为出力波动增益,T0 为平波时间常数,T1 为微分时间常数,T2 为延迟时间常数,H0 为基础调节时间,Krestrain 为阻滞比例,Kcompensation 为补偿比例。 图 9 暂态过程自适应控制策略的基本结构 Fig. 9 Basic structure of self-adaptive control strategy for its transient process根据系统运行状态辨识,暂态过程自适应控制策略的工作模式切换策略见附录表 2 所示,ΔPdc为直流功率偏移量,Δfgrid 为电网功率偏移量,ΔH 为期望调节时间变化趋势。偏移量以增大为正。这里需要明确的是,该控制器是向 VSG 提供参数计算的依据,即 VSG 的时域调节时间。由于阻尼比固定,二阶系统持续衰减,无论 VSG 时域调节时间的大小,即便存在工作模式切换,由于 只改变振荡角频率的速度而不会引发振荡。4 仿真验证本文在 PSCAD/EMTDC 中搭建直流电压为±30kV 的仿真平台,同时与文献[15]所提控制方法进行对比,因为控制方法不同,参数数值也不尽相同。本文所提控制的参数设计见附录表 3所示。依照文献[15]的参数设计方法,结合仿真平台的实际结构,其控制参数设计如见附录表4 所示。本文验证了所提控制的基本性能：功率解耦,以调节时间 t s 改变 VSG 时域动态特性,其具体结果见附录,此处不作为重点。 建立 9 节点拓扑结构的小型微网,网架结构及参数如附录图 3 和表 5 所示。其中节点 1 为燃气轮发电机,可以作为微网的平衡节点,能够提供下垂特性和二次调频等功能。节点 7 为 VSG逆变器接入的光伏电站,电站向微网输送功率并维持节点 7 电压稳定。考虑可再生能源出力波动并加入暂态过程自适应控制策略,并结合 2 个算例,算例如表 1 所示。表 1 中的时间表示功率发生突变的时刻,数值表示功率突变时刻的功率的变化值,以功率增大为正。 表 1 VSG算例 Tab. 1 Cases of VSG根据算例,将本文所提的自适应控制方法与文献[15]中的自适应转子惯量方法进行对比。仿真从系统频率响应、直流侧电压响应、VSG 输出功率、转子惯量、阻尼系数及其他控制参数变化情况等进行多方面的比较,算例 1 的对比结果如图 10 所示,算例 2 的对比结果如图 11所示。首先,分析本文所提控制方法的表现。当可再生能源机组出现不利于系统平衡的波动时,VSG 工作于阻滞模式,增大系统的等效惯性,抑制了频率最大偏移量。当可再生能源机组出现有利于系统平衡态的波动时,VSG 工作于补偿模式,减小了系统的等效惯性,促进系统向平衡态过渡。其次,将本文所提自适应 VSG 控制与文献[15]中的转子惯量自适应控制进行对比,分析其表现,具体为： 1）依照 VSG 转子转速单纯改变 VSG 转子惯量效果有限。相比之下,本文所提控制方法和自适应控制策略,综合考虑转子惯量、阻尼系数等参数,灵活应用控制手段,对于系统频率波动和直流电压波动,二者的最大偏移量都有明显减少,提高系统动态稳定性效果明显。2）传统 VSG 控制认为其输入输出之间关系是典型二阶系统,当 VSG 输入功率跳变时,根据Laplace 终值定理,转子惯量自适应控制的输入输出功率之间差值的积分值不为零,能量出现滞留或透支,势必影响直流侧的电压。而本文考虑了该问题,将其设计为带一个零点的三阶系统,避免能量的不平衡而影响直流电压。图 10(b)和图 11(b)的仿真结果有效地证明了这一点。 3）转子惯量自适应方法采用了单纯微分环节提供突变数值,因而参数变动范围受其限制,一旦变化剧烈造成微分输出失控,因而调控能力有限。本文所提暂态自适应控制中加入了延迟环节,扩大参数变动范围,提高了控制性能。 图 10 可再生能源机组出力波动时系统的动态响应 (算例 1)Fig. 10 Dynamic responses of system with the power fluctuation of renewable energygenerators (Case One) 图 11 可再生能源机组出力波动时系统的动态响应 (算例 2)Fig. 11 Dynamic responses of system with the power fluctuation of renewable energygenerators (Case Two)5 结论本文主要针对分布式电源中 VSG 的应用展开研究,根据 VSG 控制的原理与思路,提出了一种新型 VSG 控制方法和相应的暂态过程自适应控制策略,在该方法和策略的组合下,逆变器可以有效的调节系统的等效惯性,减缓系统向非平衡态的偏移速度,加快系统向平衡态的恢复速度,提高了分布式电源并网的友好性。具体包括以下 2 个方面： 1）建立了新型 VSG 控制方法,使 VSG 输出功率的暂态过程和时域性能指标根据控制需求而改变。该方法的参数与控制的动态性能拥有简洁而明确的关系,因此可根据此关系迅速调节VSG 控制的时域性能指标。2）建立了暂态过程自适应控制策略,根据电网的频率偏移和可再生能源机组功率波动自适应调节 VSG 的时域性能指标,进而依此改变 VSG 的控制参数,应对不同情况改变 VSG 的暂态过程以改变系统的等效惯性,减缓了分布式电源的波动对系统状态的改变。最终实现新型 VSG暂态过程对不同场景下的自适应,提高电网的稳定性。 附录见本刊网络版(http://www.dwjs.com.cn/CN/volumn/current.shtml)。附录1 文中 2.2 小节的直流电压调节分量设计的合理性推导验证直流电压调节分量设计的合理性,Pdc和 P 之差的积分即直流支撑电容器上能量的变化量,令其为 X(s),则 X(s)为X(s)=Pdc−Ps=Pdcs⋅ [1−M(s)]X(s)=Pdc−Ps=Pdcs⋅ [1−M(s)] (18) Pdc 取单位阶跃响应,将式(10)代入式(11)并应用 Laplace 终值定理如式(12)所示,即电容能量误差稳态为零,因此无论参考功率层参数的变化,虚拟直流功率控制可以使直流侧电压恢复至指定值。lims→0sX(s)=100πJs2+100πDs100πJs3+100πDs2+Ks+KKp=0lims→0sX(s)=100 π Js2+100 π Ds100 π Js3+100 π Ds2+Ks+KKp=0 (19)2 文中 4 节的本文控制方法的基本性能 首先测试本文所提控制的基本性能：初始有功参考值 Pref 为 2 MW,无功参考值 Qref 为 1MVar,现在有功参考值 Pref 在 1.5 s 时突然提升至 4 MW,PCC 点的有功功率和无功功率变化如图 1 所示。从图中可以看出 MMC 矢量控制下逆变器输出至 PCC 点的功率快速追踪参考值,验证了控制 G(s)解耦的有效性。 图 1 MMC 矢量控制有功功率 P 和无功功率Q 的响应 Fig. 1 Dynamic responses of P as active power and Q as reactive power under thecontrol of MMC vector controller使用不同调节时间 ts下并网换流器的输出有功功率 P 和直流侧电压 Udc的变化情况如图 2(a)和(b)所示。对于 VSG 的全控制 M(s)中,在相同的 P dc 输入直接调节参数ωn 和ζ的大小进而调节系统动态响应。从图中可以看出系统可以实现不同的动态响应指标,满足暂态过程自适应控制的要求。3 文中各表 M0(s)和 M(s)的部分枚举动态误差的 J、D、Kp 的变化如表 1 所示。 图 2 不同调节时间下 P 和Udc 的动态响应 Fig. 2 Dynamic responses of P and Udc with different setting time 表 1 传递函数变量变化范围 Tab.1 Enumeration range of variables of transfer function暂态过程自适应控制策略的工作模式切换策略如表 2 所示。 表 2 工作模式切换策略 Tab. 2 Switch strategy of the work pattern所提控制的参数设计如表 3 所示。 表 3 本文所提控制的参数设计 Tab. 3 Parameters design of proposed control文献[15]的参数设计方法,结合仿真平台的实际结构,其控制参数设计如表 4 所示。 表 4 文献[15]所提控制的参数设计 Tab. 4 Parameters design of control of reference [15]微电网的网架结构及其参数如图 3 和表 5 所示。 图 3 9 节点微网拓扑结构Fig. 3 Topological structure of micro-gird with 9 buses 表 5 微网结构参数 Tab. 5 Structure parameter of the micro-grid参考文献[1] Qing C Z,Phi L N,Zhen Y M,et al.Self-synchronized synchronverters: inverterswithout a dedicated synchronization unit[J].IEEE Transactions on PowerElectronics,2014,29(2):617-630.[2] Qing C Z,Weiss G.Synchronverters: inverters that mimic synchronous generators[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2011,58(4):1259-1267.[3] 林岩,张建成.含虚拟同步发电机的光/柴/储独立微网控制策略[J].电网技术,2017,41(4):1277-1284. 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