电网电压不平衡时的改进虚拟同步机控制策略

电网电压不平衡时的改进虚拟同步机控制策略An Improved Control Strategy for Virtual Synchronous Generator UnderUnbalanced Grid Voltage万晓凤 1, 胡海林 1, 聂晓艺 1, 余运俊 1, 曾繁鹏 21．南昌大学 信息工程学院,江西省 南昌市 3300312．江苏林洋能源股份有限公司,江苏省 启东市 226200WAN Xiaofeng 1, HU Hailin1, NIE Xiaoyi1, YU Yunjun1, ZENG Fanpeng21. School of Information Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031,Jiangxi Province, China2. Jiangsu Lin Yang Energy Co., Ltd., Qidong 226200, Jiangsu Province, China 万晓凤(1964),女,通信作者,教授,博士生导师,研究方向为分布式发电与微电网、储能及其应用等,E-mail：xfwan_jx@163.com;胡海林(1984),男,博士研究生,研究方向为分布式发电与微电网、并网逆变器等。 基金项目： 国家自然科学基金(61563034); 国家国际科技合作专项(2014DFG72240); 江西科技落地计划(KJLD14006); Project Supported by National Natural ScienceFoundation of China (61563034); Program of China International Science andTechnology Cooperation Projects (2014DFG72240); Higher School Science andTechnology Floor Plan in Jiangxi Province (KJLD14006);文章编号: 1000-3673（2017）11-3573-09 中图分类号: TM31摘要 在电网电压不平衡并网逆变器瞬时功率数学模型基础上,分析了传统虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制在电网电压不平衡时存在的问题：逆变器输出电流三相不平衡,输出有功功率及无功功率出现 2 倍电网频率波动,提出了一种改进型 VSG控制策略。改进后的控制策略在 dq 坐标系下,利用平衡电流 VSG 控制得到基准正序电流指令,结合电网电压不平衡参数以及瞬时功率数学模型,得到不同控制目标下,并网逆变器正、负序电流指令值,并分别对正、负序电流指令进行跟踪得到正、负序电压调制信号,将正、负序电压调制信号合成为最终调制信号。改进后的 VSG 控制策略不改变 VSG 控制机理,保留 VSG 原有控制特性,分别实现了输出电流三相平衡,抑制有功或无功功率 2 倍电网频率波动的控制目标。仿真及实验结果表明所提出控制策略的有效性。关键词 : 虚拟同步发电机; 电网电压不平衡; 电流不平衡; 有功及无功功率波动; 正、负序电流;DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016.3212ABSTRACT Under unbalanced grid voltage, traditional virtual synchronous generator (VSG)control strategy will result in unbalanced three-phase current and fluctuation inactive and reactive power. In this paper, mathematical models are derived forinstantaneous active and reactive power under unbalanced grid voltage, and animproved VSG control strategy is proposed to handle these problems in traditionalVSG control strategy. Firstly, under dq coordinate system, VSG balance currentcontrol is employed to obtain reference positive-sequence current commands. Secondly, according to grid voltage unbalanced parameters, positive and negativesequence current commands of grid-connected inverter are produced for differentcontrol objectives. Thirdly, positive and negative sequence current commands aretracked separately to get positive and negative sequence voltage modulationsignals. The proposed control strategy maintains original VSG controlcharacteristics without changing VSG control mechanism, produces balancedthree-phase current output and mitigates active or reactive power fluctuations separately. Simulation and experiment results verify effectiveness of the proposedcontrol strategy.KEY WORDS : VSG; unbalanced grid voltage; unbalanced three-phasecurrent; active and reactive power fluctuation; positive and negative sequencecurrent;0 引言随着电力系统中分布式逆变电源装机容量的增加,同步发电机装机容量比例相对下降,导致电 力系统中旋转备用容量及转动惯量也相应减小,对电网的安全稳定运行带了严峻挑战。因此, 要求并网运行的分布式逆变电源不仅能够向电网提供能源,还应具备一定的电网电压幅值和频率的支撑能力,以增强电网运行的稳定性[1-2]。虚拟同步发电机(virtual synchronousgenerator,VSG)控制策略,通过模拟同步发电机的工作原理,有功调频及无功调压特性,使得分布式逆变电源从运行机制和外特性上与传统同步发电机相似,能够为电网提供一定的惯性和阻尼[3]。VSG 控制策略最先由欧洲 VSYNC 工程提出,基于 VSYNC 的研究,比利时鲁汶大学、荷兰能源研究中心、代尔夫特工业大学以及德国克劳斯塔尔工业大学等机构提出了外特性为受控电 流源的电流型 VSG 控制策略[4-5],电流型 VSG 控制不能为电力系统提供电压和频率支撑,只适用于分布式电源渗透率较低电网环境下的并网运行。为弥补电流型 VSG 的缺陷,英国利物浦大学、合肥工业大学及加拿大多伦多大学的学者提出了外特性为受控电压源的电压型 VSG控制策略[6-8],电压型 VSG 适用于渗透率较高的弱电网环境下并网运行及孤岛模式下的应用。以上针对 VSG 的研究都是基于理想电网环境下,实际电网中常出现电压跌落、三相不平衡和谐波畸变等瞬态、稳态故障,文献[9]对传统的 VSG 控制进行改进,使得改进后的 VSG 控制策略在不平衡电网电压时能够保持输出电流三相平衡,但改进后的 VSG 控制策略,有功或无功 功率仍存在 2 倍电网频率的波动。文献[10]提出了电网频率和电压变化时 VSG 的恒功率控制,能够输出恒定的有功和无功功率,在电网电压不平衡时,所提控制策略将失效。文献[11]提出了电压暂降时的 VSG 控制策略,增强 VSG 低电压穿越能力。在实际运行时,配电网电压受到负载不平衡,短路故障等因素影响出现三相电压不平衡,当接入点三相电压不平衡时,基于传统 VSG 控制的逆变器输出电流三相不平衡,同时输出有功及无功功率将出现 2 倍电网频率的波动。逆变器输出三相电流不平衡,将加剧低压配电网中三相电流不平衡。三相电流不平衡轻则影响线路及配电变压器的供电效率,重则导致电力线缆 烧断、开关烧毁甚至配电变压器烧毁;三相电流不平衡还将导致三相电压不平衡,影响用电设 备正常使用,甚至危到用电设备安全运行。按照传统的电网电压不平衡控制算法,利用有功、无功功率给定值直接计算正、负序电流指令值[12-13],或利用直接功率控制[14]、电流预测技术等[15]都可实现不平衡电网电压下控制目标。由于传统逆变器控制方法与 VSG 控制之间控制器结构与机理存在较大差别,传统的控制方法无法直接用于 VSG 控制策略。因此,电网电压不平衡时 VSG 控制策略,需要保证不改变 VSG 的基本控制策略的基础上,实现输出电流平衡、减小有功或无功功率 2 倍电网频率波动这 3 个不同控制目标。本文提出电网电压不平衡时的改进 VSG 控制策略,利用平衡电流 VSG 控制得到 dq 坐标系下 的基准正序电流指令值,再结合电网电压不平衡参数,得到实现电流三相平衡、减小有功功率或无功功率波动 3 个不同控制目标时,并网逆变器 dq 坐标系下正、负序电流指令值,并分别对 dq 坐标下的正、负序电流进行跟踪。利用 MATLAB 仿真结果和 1 台 3 kVA 样机的实验结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。1 VSG 控制策略基本原理VSG 技术本质上是通过控制策略模拟同步发电机的工作原理,从而使并网逆变器获得类似同步发电机的运行特性。基于 VSG 控制的逆变器主电路拓扑和控制框图如图 1 所示,在研究 VSG 控制策略时,忽略分布式能源自身的动态响应,分布式电源可用直流电压源替代[16-17]。图1 中,Udc 为直流侧电压;Rs、Ls 和 C 分别为滤波电感内阻、滤波电感及滤波电容;ia、ib 和 ic 为逆变器输出电流;ua、ub 和 uc 为逆变器侧输出三相电压;ea、eb 和 ec 为三相电网电压;Lg 为线路电感;P*、Q*分别为有功、无功功率给定值;Pe、Qe 分别为逆变器输出有功、无功功率测量值。忽略滤波电容 C 的作用,由 P*、Q*通过 VSG 控制算法得到逆变器输出端口电压的幅值及相位角,经过电流指令计算模块及电流控制环后,得到三相调制波,再经过正弦脉宽调制产生脉冲信号,控制开关管通断,得到相应的逆变器侧输出三相电压 [18]。 图 1VSG 控制逆变器整体框图 Fig. 1 Overall block diagram of VSG control inverter1.1 VSG 运行控制分布式逆变电源工作模式可分为并网和离网 2 种,此处研究的电网电压不平衡时的 VSG 控制策略属于并网工作模式,在分布式逆变电源并入强电网时,逆变器输出电压频率和幅值均被电网钳位,因此 VSG 控制策略中的有功-频率下垂环节及无功-电压下垂环节失效。并网模式下,VSG 有功-频率及无功-电压控制的目标是向电网输送指定大小的有功及无功功率,根据同 步发电机转子运动方程,在 VSG 有功-频率控制中,引入虚拟惯性和阻尼环节,通过有功功率给定值与实际值的差值实现虚拟机械转矩输出,从而调节逆变器侧输出电压相位角θ[19]。VSG无功-电压控制目的是模拟同步发电机励磁调节功能,根据无功功率给定值与参考值的差值调整逆变器侧电压幅值 U。利用电压幅值 U 和相位角θ合成 abc 坐标系下逆变器侧参考电压 u*,如式(1)所示 [3]。有功-频率、无功-电压控制框图如图 2 所示。图中,J 为转子转动惯量;D 为阻尼系数,ωg 为额定电角速度,K 为积分系数。 图 2 VSG 控制框图 Fig.2 Control block diagram of VSG1.2 电流指令计算及电流控制环以同步发电机定子电气方程为原型,忽略滤波电容 C 作用,建立逆变器输出端口电压与电流关系,如式(2)所示：u∗ abc=−Riabc−Ldiabcdt+eabcuabc∗ =−Riabc−Ldiabcdt+eabc (2)式中：L 和 R 是从逆变器到电网之间的总电感和总电阻;下标“abc”表示 abc 坐标系下的分 量。将逆变器侧三相输出电压 u*采用电网电压 d 轴定向进行 dq 分解,dq 坐标系下电压与电流关系的如式(3)(4)所示[20]。 式中：上标*表示各量的参考值或指令值;i∗ did∗ 、i∗ qiq∗ 为 dq 坐标系下的电流指令值;u∗ dud∗ 、u∗ quq∗ 分别为参考电压 u*采用电网电压 d 轴定向进行 dq 分解得到的dq 轴分量;eded、eqeq 为电网电压的 dq 轴分量;Y 为阻抗矩阵;X 为感抗,X=ω LX=ωL。相角φ φ表示 VSG 控制虚拟转子角速度ω ω与电网电角速度ω gωg 差值的积分。φ =∫ t0(ω −ω g)dtφ=∫0t(ω−ωg)dt (5)采用前馈解耦 PI 控制进行电流跟踪,将 dq 坐标系下的电流指令值送入电流控制环,得到 dq坐标系下的调制电压,再将此调制电压转换到 abc 坐标后送入正弦脉宽调制环节,得到 PWM 控制信号。2 不平衡电网下的并网逆变器建模不平衡电网电压下,并网逆变器输出瞬时复功率可表示为S=Eα β I^α β =(E+dqpejω gt+E−dqne−jω gt)(I^+dqpe−jω gt+I^−dqnejω gt)S=EαβI^αβ=(Edqp+ejωgt+Edqn−e−jωgt)(I^dqp+e−jωgt+I^dqn−ejωgt)(6)式中：上标“^”表示共轭;上标“+”表示正序分量;上标“-”表示负序分量;下标“dqp” 表示正向同步旋转 dq 坐标分量,下标“dqn”表示反向同步旋转 dq 坐标分量;Eα β Eαβ为α β αβ坐标下电网电压矢量;Iα β Iαβ为α β αβ坐标下输出电流矢量;E+dqpEdqp+为正转同步旋转 dq 坐标系下正序电网电压矢量;E−dqnEdqn−为反转同步旋转 dq 坐标系下负序电网电压矢量;I+dqpIdqp+为正转同步旋转 dq 坐标系下正序输出电流矢量;I−dqnIdqn−为反转同步旋转 dq 坐标系下负序输出电流矢量。瞬时有功、无功功率分别为 式中：P0、Q0 分别为瞬时有功及无功功率平均值;Pcos2、Qcos2 分别为有功及无功功率按余弦分布功率波动的最大值;Psin2、Qsin2 分别为有功及无功功率按正弦分布功率波动的最大值,其值见式(8)。 式中 e、i 分别为电网电压矢量 E 和电流矢量 I 的瞬时值。当电网电压出现不平衡时,输出电流三相不平衡,包含正、负序分量;并网逆变器输出瞬时无功功率除了包含平均无功功率 Q0 外,还包含 2 倍电网频率的无功功率波动分量Qcos2cos(2ω gt)Qcos⁡ 2cos⁡ (2ωgt)、Qsin2sin(2ω gt)Qsin⁡ 2sin⁡ (2ωgt)。同理瞬时有功功率也包含平均功率分量及波动分量。在不平衡电网电压时,要实现输出电流平衡、减小有功功率或无功功率波动的控制目标 [21],对应 dq 坐标下的正、负序电流指令值可通过式(7)、(8)计算得到。1）输出电流三相平衡,则电流负序分量等于 0,即i−dn∗ =i−qn∗ =0idn−∗ =iqn−∗ =0,上标*表示各量的指令值,将电网电压正序分量e+dpedp+固定在正转同步旋转坐标系的d +轴上,则有e+qp=0eqp+=0。此时正、负序电流参考值为 式中：下标“dp”表示正向同步旋转 d 轴分量;下标“qp”表示正向同步旋转 q 坐标分量,下标“dn”表示反向同步旋转 d 轴分量,下标“qn”表示反向同步旋转 q 坐标分量。2）消除有功功率 2 倍电网频率波动,即 Pcos2= Psin2=0,此时正、负序电流指令值为 式中：kqdkqd、kddkdd 为电网电压不平衡参数,kqd=kqd=e−qn/e+dpeqn−/edp+;kdd=e−dn/e+dpkdd=edn−/edp+。3）消除无功功率 2 倍电网频率波动,即 Qcos2= Qsin2=0,此时正、负序电流指令值为 若要控制输出功率的波动分量为零,则由于负序电压的存在,负序电流不能为零,输出的三 相电流将出现不平衡。而若要控制输出三相电流平衡,则应消除负序电流分量,但由于电网负序电压与正序电流作用,功率波动仍会存在。3 改进 VSG 控制策略设计VSG 控制策略模拟同步发电机特性,通过有功-频率及无功-电压控制环,控制逆变器侧输出电压幅值及相角,当 VSG 逆变器接入点三相电压不平衡时,瞬时有功功率及无功功率的波动会 通过有功环及无功环反映到逆变器侧电压幅值和相角上,导致逆变器输出电流三相不平衡。电网电压不平衡时,传统逆变器控制方法与 VSG 控制之间在控制器结构与机理方面存在较大差别,传统的控制方法无法直接用于 VSG 控制策略。文献[9]中提出改进 VSG 控制策略,能够实现输出电流三相平衡,但是无法实现输出有功功率或无功功率恒定,由于代入 VSG 控制环的瞬时有功功率及无功功率存在波动,经 VSG 控制算法得到的参考电压幅值及频率发生振荡,加剧逆变器输出电流的不平衡,不利于控制目标的实现。由此可见,传统 VSG 控制策略不适用于电网电压不平衡时时运行,需要加以改进。 3.1 平衡电流 VSG 控制策略在电网电压不平衡时,要求输出电流三相平衡,即输出电流中只包含正序电流分量,而负序电流分量为 0。将逆变器输出瞬时平均有功及无功功率代入 VSG 的无功-电压、有功-频率控制环,得到恒定的参考电压幅值 U 及相位角θ,进而得到逆变器侧三相参考电压 u*,将 u*采用电网电压 d 轴定向进行 dq 分解得到正序分量u+∗ dud+∗ 、u+∗ quq+∗ ,由于 u *为三相平衡电压,其负序分量为 0,输出电流正序分量指令值计算如式(12)所示。式中：Y 为阻抗矩阵;e+ded+、e+qeq+为电网电压正序 d、q 轴分量。电流指令计算框图如图 3 所示。 为实现逆变器输出电流平衡,需对电流正、负序分量指令值分别进行跟踪,将正、负序电流指令分别送入正、负序前馈解耦 PI 控制环,得到 dq 坐标下的正、负序电压调制信号,再将其转换为 abc 坐标下的电压调制信号,经过正弦脉宽调制后驱动开关管通断,从而得到对应的逆变器侧输出三相电压。正、负序控制环如图 4 所示,为实现输出电流 平衡,负序电流指令值为 0,i−dn∗ =i−qn∗ =0idn−∗ =iqn−∗ =0。i~+dpi~dp+、i~+qpi~qp+、i~−dni~dn−、i~−qni~qn−为实现功率恒定时的正、负序电流指令修正值,此处修正分量均为 0。将上述不平衡电网时,实现输出电流三相平衡的改进的 VSG 控制策略命名为平衡电流 VSG 控制[9]。 图3 平衡电流 VSG控制电流指令计算框图 Fig. 3 Calculation block diagram of the balance current VSG controlcurrent上述计算过程中需要对电压及电流进行正、负序分离,此处采用基于降阶广义积分器(reduced order generalized integrator,ROGI)的正、负序分量提取方法。ROGI 方法的准确性高,速度快,尤其适用于弱电网及故障电网下对电网电压和电流的 图 4 改进 VSG电流正负序内环控制结构 Fig. 4 Positive and negative sequence inner loop current controlstructure of improved VSG正、负序分离提取。ROGI 的传递函数为GROGI(s)=1/(s−jkω g)GROGI(s)=1/(s−jkωg) (13)式中：kω g 代表 k 倍电网基波角频率;k 可以为正数或者为负数,正、负号用于区分相同倍频的正序和负序分量。由式(9)可知,为实现输出电流平衡,可直接利用功率给定值与电网电压正序分量计算得到正序电流给定值,在平衡电流 VSG 控制中,功率给定值通过有功-频率、无功-电压控制,得到逆变器侧输出电压幅值和相位角,再结合电网电压正序分量、线路总电感内阻及总电感计算得 到正序电流指令值。两种控制算法实际上都是利用功率给定值计算电流指令值,区别是 VSG控制中增加了虚拟惯性和阻尼环节,因此可以将平衡电流 VSG 控制策略得到的正序电流指令与式(9)中得到的正序电流指令值进行等价。3.2 有功功率恒定 VSG 控制策略通过对比式(9)与式(10),可得在电网不平衡参数固定时,有功功率恒定的电流正、负序指令值与平衡电流 VSG 的电流指令值之间存在固定关系,对平衡电流 VSG 控制的电流正、负序指令值进行相应修正,并对修正后的电流指令值进行跟踪,即可实现有功功率恒定的控制目标。 由式(9)(10)可得,正、负序输出电流指令修正值为式中：上标“~”表示电流分量修正值;i+dp∗ idp+∗ 、i+qp∗ iqp+∗ 为平衡电流 VSG控制得到的基准正序电流指令值,kqd=e−qn/e+dpkqd=eqn− /edp+;kdd=e−dn/e+dpkdd=edn−/edp+。改进后 VSG 控制策略的电流内环控制结构如图 4 所示,图中i−dn∗ =i−qn∗ =0idn−∗=iqn−∗ =0,对修正后正序、负序电流分量分别进行 PI 控制,得到 dq 坐标下正序及负序调制信号,经过 dq/abc 坐标变换后叠加,送入 SPWM 调制模块。3.3 无功功率恒定 VSG 控制策略同理,利用式(11)对平衡电流 VSG 控制的电流正、负序指令值进行相应修正,并对修正后的电 流指令值进行跟踪,即可实现无功功率恒定的控制目标。无功功率恒定时,正、负序输出电流指令修正值如式(15)所示,无功功率恒定的正、负序电流控 制结构与图 4 一致,此处不赘述。电网电压不平衡时的改进 VSG 控制策略,利用平衡电流 VSG 控制得到 dq 坐标系下的基准正序电流指令,再结合电网电压不平衡参数,计算不同控制目标下,并网逆变器正、负序电流指令值,分别对正、负序电流进行跟踪,实现三相电流平衡、抑制有功或无功功率 2 倍电网频率波 动的控制目标。改进后的控制策略,不改变 VSG 控制结构,保留 VSG 原有的控制特性,同时不依赖线路参数,且无需控制模式的切换,易于工程实现。当电网三相电压平衡时,ROGI 不起作用,改进后的 VSG 控制策略得到电流指令值与传统 VSG 控制相同,同时电网电压不平衡参数都为零,因此在电网电压平衡时,改进后的控制策略对系统不造成影响。同时改进 VSG 控制策略,将逆变器输出瞬时平均功率代入 VSG 控制,从而保证经 VSG 控制得到的逆变器侧参考电压幅值及频率恒定,提高基准正序电流分量平衡度,利于控制目标实现。4 仿真和实验结果 4.1 仿真结果为验证上述控制策略的有效性,使用 Matlab/ Simulink 环境搭建一台 15 kVA 的光伏并网系统模型,进行仿真验证,主要参数如表 1 所示。图 5 中,仿真时总长 0.8 s,其中 0~0.2 s 时间内,电网电压平衡,系统工作正常;0.2~0.8 s 时间内,电网电压不平衡,A 相电压幅值降低为原来的 表 1 系统仿真参数 Tab. 1 Parameters of simulation system 图 5 VSG 控制输出电流、有功 及无功功率波形 Fig. 5 Waveform of the output current, active and reactive power with VSGcontrol50%,此时电网电压不平衡度为 18.8%。图 5(a)为传统 VSG 控制的仿真结果,电网电压平衡时,输出电流三相平衡,电流幅值为 16.9 A;电网电压不平衡时,并网电流出现不平衡,电流最大幅值为 24 A,最小幅值为 18.5 A,输出有功及无功功率出现 2 倍电网基波频率的波动,有功及无功功率波动峰峰值分别为 5.4 kW、2.6kvar。 图 5(b)为平衡电流 VSG 控制的仿真结果,在电网电压不平衡时,输出并网电流平衡,电流最大幅值为 20.6 A,最小幅值为 20.1 A,此时有功功率、无功功率仍存在 2 倍电网基波频率波动,峰峰值分别为 3.25 kW 和 3.3 kvar。图 5(c)为有功功率恒定 VSG 控制的仿真结果,在电网电压不平衡时,有功功率波动峰峰值减小为 0.6 kW,并网电流不平衡,电流最大幅值为 27 A,最小幅值为 18.5 A,无功功率存在波动,峰峰值为 6.2 kvar。图 5(d)为无功功率恒定 VSG 控制的仿真结果,在电网电压不平衡时,无功功率波动峰峰值减 小为 0.55 kvar,并网电流不平衡,电流最大幅值为 28 A,最小幅值为 19.0 A,有功功率存在波动,峰峰值为 6.4 kW。由以上实验可知,改进 VSG 控制策略,可以分别实现 3 个不同控制目标。图 6 给出了电网电压不平衡,A 相电压幅值降低为原来的 50%时,控制目标切换的仿真结果,其中图(a)为输出电流的仿真结果,图(b)为有功功率和无功功率的仿真结果。仿真总时间为2.5 s,0~0.5 s 时电网平衡,0.5~2.5 s 时电网出现不平衡,0.5~1.0 s 采用传统的 VSG 控制,此时并网电流三相不平衡、 图 6 改进 VSG 控制目标切换时电流、有功及无功功率波形 Fig. 6 Waveform of current, active power and reactivepower with the improved VSG control有功及无功功率均出现 2 倍电网频率波动。1.0~1.5 s 采用有功功率恒定 VSG 控制,此时有功功率波动峰峰值为 0.6 kW。1.5~2.0 s 时采用无功功率恒定 VSG 控制,此时无功功率波动峰峰值为 0.5 kvar。2.0~2.5 s 采用平衡电流 VSG 控制,此时输为出电流平衡,电流最大幅值为 20.6 A,最小幅值 20.2 A。由以上结果可知改进 VSG 控制可以实现不同控制目标的稳态 运行和控制目标间的可靠切换。 图 7 给出了输出滤波电感出现偏差时,改进 VSG 控制策略的仿真结果。将控制算法中的电感值设置为 10 mH,为系统实际电感值的 2 倍。其中图(a)、(b)、(c)分别为平衡电流 VSG 控制、有功功率恒定 VSG 控制及无功功率恒定 VSG 控制的仿真结果,图(a)中输出电流三相平衡,电流最大幅值 20.5 A,最小幅值为 20 A,图(b)中有功功率波动峰峰值为 0.6 kW,图(c)中无功功率波动峰峰值为 0.5 kvar,与图 5 中仿真结果基本一致,由此可见改进后的 VSG 控制策略对电感参数变化具有鲁棒性。 图 7 电感值有偏差时改进VSG 控制效果 Fig. 7 Improved VSG control effect as the inductance value shows deviation图 8 给出了,在有功功率及无功功率恒定 VSG 控制时,功率给定值阶跃变化时的仿真结果,仿真总时间为 1.5 s,在 0~0.4 s 内,三相电压平衡,0.4~ 图 8 功率给定值波动时改进 VSG 控制效果 Fig. 8 Improved VSG control effect when the power given value changes1.5 s 三相电压不平衡,0.8 s 时有功功率、无功功率给定值由原来的 4 kW、3 kvar 阶跃至 6kW、5 kvar,从仿真结果可知,改进后的有功功率恒定、无功功率恒定 VSG 控制可以跟踪功率给定值阶跃变化,整个过程在 0.1 s 内完成,改进后的 VSG 控制策略可实现并网功率的无差控制。4.2 实验结果 为验证改进 VSG 控制策略的有效性,搭建了 3 kVA 并网逆变器测试平台,直流侧采用稳压直流源,交流侧采用艾诺 ANGS030T 可编程交流电源模拟电网不平衡,A 相电压降低为 80%,不平衡度为 7%。实验主要参数如表 2 所示。利用示波器记录并存储电压、电流波形,利用Matlab 指令根据存储的电压、电流输出绘制输出功率波形。 表 2 实验主要参数 Tab. 2 Parameters of experiment system 图 9、10 分别为在电网电压不平衡时,传统 VSG 控制及平衡电流 VSG 控制输出电流波形,由图 10 可知,传统 VSG 控制输出电流不平衡,三相电流均方根值分别为 3.82,3.03 和 3.12 A。而平衡电流 VSG 控制可以使得输出电流基本平衡,三相电流均方根值分别 3.08,3.11 和 3.14A。图 11 为电网不平衡时,传统 VSG 控制、有功功率恒定 VSG 控制及无功功率恒定 VSG 控制,逆变器输出有功功率、无功功率对比图。在传统 VSG 控制时,有功功率波动峰峰值为 1.3 kW,无功功率波动峰峰值为 1.2 kvar;有功功率恒定控制时,波动峰峰值减小至 0.18 kW;无功功率 恒定 VSG 控制时,波动峰峰值减小为 0.2 kvar。实验结果表明,改进后 VSG 控制策略输出有功功率、无功功率平 图 9 传统 VSG 控制输出电流波形 Fig. 9 Output current waveform of traditional VSG control 图 10 平衡电流 VSG 控制输出电流波形 Fig. 10 Output current waveform of balance current VSG control 图 11 传统 VSG 与改进 VSG控制功率对比 Fig. 11 Power comparison of traditional VSG and improved VSG control均值与设定值基本一致,实现了电网电压不平衡时,输出电流三相平衡,有功功率或无功功率恒定的控制目标。5 结论本文提出的电网电压不平衡时的改进 VSG 控制策略,利用平衡电流 VSG 控制得到 dq 坐标系下的基准正序电流指令,结合电网电压不平衡参数,计算不同控制目标下,并网逆变器正、负序 电流指令,分别对正、负序电流进行控制,实现输出电流三相平衡、抑制有功或无功功率 2 倍 电网频率波动的控制目标。改进后的控制策略,不改变 VSG 控制机理,保留 VSG 原有的控制特性,同时不依赖线路参数,且无需控制模式的切换,易于工程实现。仿真和实验结果验证所提出控制策略的有效性。在非理想电网环境下的 VSG 控制策略的研究尚处于起步阶段,在电网谐波与电网电压不对称同时存在时、电网电压跌落时的控制策略,以及逆变器输出功率/电流质量协调 VSG 控制策略仍然有待进一步研究。参考文献[1] 杨新法,苏剑,吕志鹏,等.微电网技术综述[J].中国电机工程学 报,2014,34(1):57-70. 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