基于三相四桥臂逆变器的虚拟同步发电机分序控制策略

基于三相四桥臂逆变器的虚拟同步发电机分序控制策略Sequence Decomposition Control Strategy for Virtual Synchronous GeneratorBased on Three-Phase Four-Leg Inverter张鸿博 1, 蔡晓峰 2, 杨向真 31．华北水利水电大学 电力学院, 河南省 郑州市 4500452．河南工程学院 机械工程学院,河南省 新郑市 4511913．教育部光伏系统工程研究中心(合肥工业大学),安徽省 合肥市 230009 ZHANG Hongbo1, CAI Xiaofeng2, YANG Xiangzhen31. School of Electric Power, North China University of Water Resources and ElectricPower, Zhengzhou 450045, Henan Province, China2. School of Mechanical Engineering, Henan University of Engineering, Xinzheng451191, Henan Province, China3. Research Center for Photovoltaic System Engineering of Ministry ofEducation(Hefei University of Technology), Hefei 230009, Anhui Province, China 张鸿博(1980),男,硕士,讲师,研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用,E-mail：zhhbncwu@163.com; 蔡晓峰(1981),女,硕士,讲师,研究方向为分布式发电技术,E-mail：cxfzjy@126.com;杨向真(1982),女,博士,讲师,研究方向为微电网运行与控制,E-mail：greenleaf_yxz@163.com。文章编号: 1000-3673（2017）04-1291-09 中图分类号: TM72摘要 分析了虚拟同步发电机的常规控制策略,指出了其隐含的正序阻抗、负序阻抗及零序电抗相等的约束条件,进而分析了在三相不对称环境中常规控制策略存在的问题。结合同步发电机的正负零序网络模型,提出了基于序网络模型的虚拟同步发电机控制策略,并设计了基于三相四桥臂逆变器的序网络模型实现方案,分析了多机并联时的虚拟阻抗设计原则。仿真验证了序网络模型实现方案的正确性,并验证了序网络模型在改善逆变器输出电压三相不平衡度方面的优势以及多机并联时的阻抗设计原则,证明了序网络模型在不对称负载运行方面的优势｡ 关键词 : 微电网; 虚拟同步发电机; 不对称; 负序; 零序;DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016.1790ABSTRACT Common control strategy of virtual synchronous generator is analyzed, and itsimplicit constraint of positive sequence impedance equal to negative sequence andzero sequence impedance is pointed out. Then its shortcomings under three phaseunbalance are analyzed. Combined with positive, negative and zero sequencenetworks of synchronous generator, control strategy of virtual synchronousgenerator based on sequence networks is presented, and implementations forsequence network model based on three-phase four-leg inverter is designed. Virtual impedance design principle for parallel multiple inverters is analyzed.Simulation results verify correctness of implementation for the sequence networkmodel and advantages of sequence network model in terms of improvingthree-phase inverter output voltage unbalance factor of microgrid inverter. It alsoverifies correctness of the virtual impedance design principle for parallel multipleinverters. Advantages of the sequence network model in three-phase unbalancedoperation are confirmed with simulation. KEY WORDS : microgrid; virtual synchronous generator; unbalance; negativesequence;zero sequence;0 引言随着分布式发电技术的广泛应用,大量的并网逆变器给大电网的安全运行带来了较大的影响[1]。为提升电网对分布式能源的接纳能力,有学者借鉴传统电力系统中同步发电机的运行和控制原理,提出了基于虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)技术的并网逆变器控制策略 [2-6],该技术借鉴同步发电机的机械方程和电磁方程来控制并网逆变器,使得并网逆变器在控制机理和外特性上均模拟同步发电机,有望在未来主动配电网和微电网中发挥 重要作用。文献[7]进一步定量分析了 VSG 模型参数摄动对并网功率跟踪的影响,并提出了惯性和阻尼参数的整定方法;文献[8]建立了 VSG 的小信号模型并进行了小信号稳定性分析;文献[9]提出了一种基于模式平滑切换的 VSG 低电压穿越控制方法;还有不少文献从不同角度对 VSG 技术开展了研究,为 VSG 技术的应用和完善提供了有益的参考。目前关于 VSG 的控制策略研究主要针对三相对称的理想环境条件,而微电网的实际环境往往比较恶劣,三相不对称的情况经常发生,在这种情况下,基于三相对称理想条件的控制策略不可避免的存在问题。对于不对称条件下逆变器的控制,文献[10-12]等提出了一些方法,如文献 [10]提出了一种电网电压不平衡情况下逆变器负序电流的抑制方法。文献[11]讨论了不同控制目标下双馈异步风力发电机转子正、负序电流指令值计算原则并设计了对正负序电流的独立跟踪控制方法。它们均侧重于研究电网不对称条件下抑制负序电流或抑制功率波动等问题。文献[12]研究了不平衡负载下的功率和电流均分问题,但其对正序分量仍然采用比较传统的控制方式,未考虑将 VSG 技术融合到三序分量的控制当中。因此,为改善 VSG 在不对称情况下的性能,本文分析了常规 VSG 控制策略在三相不对称环境中存在的问题,并结合同步发电机的正负序网络模型,提出了基于序网络模型的 VSG 控制策略,通过与常规控制策略进 行仿真对比,验证序网络 VSG 在不对称运行方面的优势。1 并网逆变器的常规 VSG 控制策略图 1 为并网逆变器的结构示意图。图 1 中：Udc 为逆变器直流侧储能电池电压;Lf、Rf、Cf 为输出滤波器的电感、电阻和电容;Ld、Rd 为本地负荷的等效电感和电阻;ui、ii(下标 i=a,b,c,下同)分别为 i 相电压和 i 相电流。 图 1 并网逆变器结构示意图 Fig. 1 Structure of the grid-connected inverter并网逆变器的 VSG 控制算法[2]为⎧ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ Tm−Te−DΔ ω =Pmω −Peω −DΔ ω =JdΔ ω dtdθ dt=ω E˙ i=U˙ i+I˙ i(Ra+jXt){Tm−Te−DΔω=Pmω−Peω−DΔω=JdΔωdtdθdt=ωE˙i=U˙i+I˙i(Ra+jXt)式中：T m 和 Te 分别为机械转矩和电磁转矩;Pm 和 Pe 分别为机械功率和电磁功率,其中,发电机电磁功率 Pe 和转矩 Te 可由虚拟同步发电机电势 ei 和输出电流 ii 计算得到Te=Pe/ω =(eaia+ebib+ecic)/ω Te=Pe/ω=(eaia+ebib+ecic)/ω (2)式中：D 为定常阻尼系数;Δω为电角速度差,Δω=ω-ω0,ω0 和ω分别为额定电角速度和实际电角速度,令极对数为 1 则机械角速度ω m=ω;J 为同步发电机的转动惯量;θ为电角度;E˙ iE˙i、U˙ iU˙i、I˙ iI˙i 分别为 i 相感应电动势、定子端电压和定子电流(相量形式);Ra 和 Xt 分别为定子电枢电阻和同步电抗。2 常规 VSG 控制策略下不对称运行分析常规 VSG 控制策略是基于三相三线逆变器的,没有中性线,因此不具备带单相负荷的能力,且其只考虑了三相对称的理想条件。由于电网环境的复杂性,三相不对称的情况经常发生,对于 真实的同步发电机,一般采用对称分量法分析其不对称运行时的情况,其正负零序网络如图 2所示[13]。 图 2 同步发 电机三序网络 Fig. 2 Sequence network of synchronous generator图 2 中：Ei 为发电机(正序)电势;U˙ +iU˙i+、U˙ −iU˙i−、U˙ 0iU˙i0 表示同步发电机的端口输出电压中的正负零序分量;I˙ +iI˙i+、I˙ −iI˙i−、I˙ 0iI˙i0 表示同步发电机的端口输出电流中的正负零序分量;R+、R-、R0 表示同步发电机的正负零序电阻;L+、L-、L0 表示同步发电机的正负零序电感。由于 VSG 常规控制策略中并未对输出电流进行正负序的分解处理,而是将总的电流带入式(1)计算 VSG 的端口输出电压,即U˙ i=E˙ i−I˙ i(Ra+jXt)=E˙ i−(I˙ +i+I˙ −i+I˙ 0i)(Ra+jXt)=[E˙ i−I˙ +i(Ra+jXt)]+[0−I˙ −i(Ra+jXt)]+[0−I˙ 0i(Ra+jXt)]U˙i=E˙i−I˙i(Ra+jXt)=E˙i−(I˙i++I˙i−+I˙i0)(Ra+jXt)= [E˙i−I˙i+(Ra+jXt)]+[0−I˙i−(Ra+jXt)]+ [0−I˙i0(Ra+jXt)] (3)这相当于正负零序电流均流过相同的阻抗 R a+jXt,因此 VSG 的正序阻抗、负序阻抗和零序阻抗相等,这与真实发电机的实际情况不符(真实发电机的负序电抗、零序电抗一般小于正序电抗[14]),同时也大大限制了控制策略的灵活性。并网运行时,为满足低压线路 PQ 解耦要求,需要设置较大的同步电抗。而独立运行时,若三相负载不对称,将导致 VSG 输出三相不平衡电流,三相电流中的正负零序分量分别流过图 2 中 的正负零序网络;若 VSG 同步电抗较大,则产生的负序零序电压也很大,叠加在正序电压上容易导致三相输出电压不平衡度超标,存在谐波电流时还易引起总谐波畸变率超标。以上分析可见,在不区分序网的控制策略中,由于存在 VSG 正负零序电抗相等的隐含条件,不对称运行时灵活性差,运行效果不佳,对正负零序参数的控制效果难以兼顾。为改善并网逆变器在三相不平衡条件下的运行性能,结合发电机的序分量模型,提出了基于序网络模型的VSG 控制策略。3 基于序网络模型的 VSG 3.1 硬件拓扑基于序网络模型的 VSG 需要逆变器同时具有正序、负序和零序通路,而图 1 中的三相三线逆变器只有正序负序通路,没有零序通路,无法实现完整的序网络模型。要想实现完整的序网络模型,需要采用三相四线逆变器。在众多四线制拓扑中,三相四桥臂具有直流电压利用率高、电容需求量低、能够为零序电流提供通路以及控制灵活等优点,得到了较为广泛的应用,尤其适用于负载不平衡工况 [12]。图 3 为三相四桥臂逆变器的拓扑结构,Lf、Rf、Cf 为输出滤波器的电感、电阻和电容,Ln、Rn 为中线电感和电阻,Za,Zb,Zc 为三相负载。 图 3 三相四桥臂逆变器拓扑 Fig. 3 Topology of three-phase four-leg inverter 图 4 为三相四桥臂逆变器的三序网络图[12],uin (i=a,b,c)为逆变器 i 相相对于 n 点的电压,ii 为i 相输出电流,ui 为 i 相输出电压(对地),上标+、-、0 分别代表正序、负序与零序分量。从图 4 可以看出,三相四桥臂逆变器同时具有正序、负序和零序通路,为序网络 VSG 的实现提供了硬件基础。 图 4三相四桥臂逆变器的三序网络图 Fig. 4 Sequence decomposition model of a three-phase four-leginverter3.2 控制策略借鉴同步发电机的序网络图,VSG 也分别建立正负零序网络,并将 VSG 的输出电流分解为正负零序分量。正序电流只流过正序网络,负序电流只流过负序网络,零序电流只流过零序网络。根据以上分析不难得到基于序网络模型的 VSG 控制算法如式(4)。式中：L +vR+v,L−vR−v,L0vR0vLv+Rv+,Lv−Rv−,Lv0Rv0 为 VSG 的正负零序虚拟电感和电阻;U˙ +inU˙ −inU˙ 0inU˙in+U˙in−U˙in0(i=a,b,c)分别为逆变器 i 相相对于 n点电压的正负零序分量相量形式。⎧ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ Tm−Te−DΔ ω =Pmω −Peω −DΔ ω =JdΔ ω dtdθ /dt=ω U˙ +in=E˙ i−I˙ +i(R+v+jω L+v)U˙ −in=0−I˙ −i(R−v+jω L−v)U˙ 0in=0−I˙ 0i(R0v+jω L0v)U˙ in=U˙ +in+U˙ −in+U˙ 0in{Tm−Te−DΔω=Pm ω−Peω−DΔω=JdΔωdtdθ/dt=ωU˙in+=E˙i−I˙i+(Rv++jωLv+)U˙in−=0−I˙i−(Rv−+jωLv−)U˙in0=0−I˙i0(Rv0+jωLv0)U˙in=U˙in++U˙in−+U˙in0(4)与常规 VSG 控制策略相比,这里由于对输出电流进行了序分解处理,并让它们通过不同的序网络,正序电感、负序电感和零序电感自然可以分别设定,从而增加了算法灵活性。此外应当注意,由于输出滤波器的存在,三相四桥臂逆变器的三序网络本身就含有一定的序阻抗。不过由于滤波器中的电容是为过滤高频分量而设计的,对基波分量表现出很大的阻抗,可以忽略其影响,因此滤波器的序阻抗近似等于滤波电感的阻抗。当引入序网络 VSG 模型后, 其等效序网路图见图 5。 图 5 引入序网络 VSG 后的三序网络图 Fig. 5 Sequence network after introduced VSG各序的总阻抗为⎧ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ Z+vsg∑ =Z+v+Zf=R+v+Rf+jω L+v+jω LfZ−vsg∑ =Z−v+Zf=R−v+Rf+jω L−v+jω LfZ0vsg∑ =Z0v+Zf=R0v+Rf+3Rn+jω L0v+jω Lf+j3ω Ln{Zvsg∑+=Zv++Zf=Rv++Rf+jωLv++jωLfZvsg∑−=Zv−+Zf=Rv−+Rf+jωLv−+jωLfZvsg∑0=Zv0+Zf=Rv0+Rf+3Rn+j ωLv0+jωLf+j3ωLn(5) 式中：Z+vZv+、Z−vZv−、Z0vZv0 表示正负零序虚拟阻抗;ZfZf 表示滤波器阻抗。基于三相四桥臂逆变器的序网络模型 VSG 实现原理如图 6 所示。图 6 中：Kf为有功-频率(P-f)下垂系数;fref 为参考频率;f 为虚拟同步发电机频率;Pref 为参考有功功率;Ku 为无功-电压(Q-U)下垂系数;Uref 为参考电压;U 为并网点电压;Qref 为参考无功功率;KE 为电势积分系数;Eabc 为三相电动势; i abc 为三相输出电流;uα、uβ,iα、iβ为电压电流在α、β轴上的分量;上标+、-、0 分别代表正序、负序与零序分量。 图 6 基于序网络模型的虚拟同步发电机算法原理图 Fig. 6 Theory diagram of virtual synchronous generatorbased on sequence network采用序网络模型时,需要准确提取逆变器输出电流的正负零序分量,目前检测方法有多种,其中基于二阶广义积分器(second order generalized integrator,SOGI)的正负序分离提取方法能对特定频率下的输入信号进行 90°移相,同时表现出一定的滤波效果,快速准确地实现正负序检测 [15]。文献[16]进一步提出了采用降阶广义积分器(reducedorder generalized integrator,ROGI)代替 SOGI 得到降阶谐振(reduced order resonant,ROR)调节器,采用此调节器可在静止坐标系下对网侧电流的正、负序分量分别提取。ROR 的传递函数为G(s)=kRORs± jω G(s)=kRORs±jω (6)式中增益系数 kROR 可调节反应速度,文中 kROR 取 200。采用 ROR 提取正负序分量的原理图见图 7。值得一提的是,ROR 的中心频率ω若是固定不变的,当信号频率偏离中心频率时会产生检测误差,为此需要进行频率跟踪。而 VSG 的频率可由转子运动方程直接计算得到,这避免了采用 锁频环导致的延时,也省去了不少运算量。 图 7 ROR 原理图 Fig. 7 Control diagram of ROR通过 ROR 提取出来的正负序分量,再通过正序和负序阻抗得到正序或负序电压降,由于 ROR是在αβ坐标系下实现的,因此虚拟阻抗也在αβ坐标系实现,原理如图 8 所示。图 8 中：微分环节加入滤波模块是为了防止微分引入高次谐波;ωc 为滤波器截止频率,本文取 10 000rad/s。该滤波模块对虚拟阻抗值稍有影响,以正序虚拟阻抗为例,根据文中图 8 易得Z+v(s)=U+ α (s)/i+ α (s)=R+v+ω cL+vs/(s+ω c)Zv+(s)=U α +(s)/i α+(s)=Rv++ωcLv+s/(s+ωc) 图 8 正负序虚拟阻抗实现原理图 Fig. 8 Realization diagrams of positive and negative sequencevirtual impedance令s=j2π f0s=j⁡ 2 π f0,f0 为电力系统基波频率,则因此滤波模块会增大虚拟电阻的值,在计算虚拟电阻理论值时应当考虑这种影响。零序电流通过零序阻抗得到零序电压,但通过αβ0 变换得到的零序电流含有一定的谐波,本文 采用基于二阶广义积分器的带通滤波器(SOGI-BPF)进行滤波处理[17],其结构图如图 9 所示,ks 为阻尼比,本文取 1.4。将滤波器输出 i0 通过图 10 实现虚拟零序阻抗。最后αβ坐标系下正负序电压降经过αβ/abc变换得 图 9 基于SOGI 的带通滤波器结构 Fig. 9 Structure of a band-pass filter based on SOGI 图 10 虚拟零序阻抗实现原理 Fig.10 Realization of zero sequence virtual impedance到三相静止坐标系下的正序和负序电压降瞬时值,与零序电压降瞬时值、发电机电势瞬时值相加得到合成的各相电压 Uin,该电压通过 3 维空间矢量调制技术(3D-SVM)生成 PWM 波驱动逆变桥,为避免传统αβγ坐标系下运算复杂的缺点,本文采用 abc 静止坐标系下的3D-SVM [18]。3.3 多台序网络 VSG 的并联运行若闭合 PCC 断路器,虚拟发电机将并网运行;若电网中存在其他分布式电源,虚拟发电机将与其他电源并联为负载供电,限于篇幅,这里仅讨论多台 VSG 并联运行时的情况。一般通过有功-频率(P-f)下垂控制和无功-电压(Q-U)下垂控制实现多台 VSG 正序有功无功功率的合理分配,本文提出的序网络 VSG 控制并未改变对正序分量的控制方法,因此常规的 P-f 控制和 Q-U 控制仍然适用于正序分量。但由于序网络控制引入了独立的负序(零序)网络,可以对负序(零 序)分量进行单独调节,进而在不对称运行时,通过负序(零序)阻抗的合理设计有利于对负序(零序)电流的合理分配。如图 11 所示,2 台 VSG 并联运行的负序网络图。图 11 中：Z−vsg∑ lZvsg∑l−(l=1,2)为VSGl 的负序阻抗;Z−linelZlinel−为 VSGl 到公共并联点的线路负序阻抗。 图 112 台 VSG 并联运行等效负序网络 Fig. 11 Equivalent diagram of negative sequence network withtwo VSGs为描述方便,记Z−∑ l=Z−vsg∑ l+Z−linelZ∑l−=Zvsg∑l−+Zlinel−,则I−vsg1=1/Z−∑ 11/Z−∑ 1+1/Z−∑ 2I−Ivsg1−=1/Z∑1−1/Z∑1−+1/Z∑2−I−I−vsg2=1/Z−∑ 21/Z−∑ 1+1/Z−∑ 2I−Ivsg2−=1/Z∑2−1/Z∑1−+1/Z∑2−I−若想实现 VSG1 和 VSG2 均分,就要求 1Z−∑ 1=1Z−∑ 21Z∑1−=1Z∑2−当 VSG1 和 VSG2 额定容量不同时,一般希望负序电流按额定容量分配,即I−vsg1:I−vsg2=(1/Z−∑ 1):(1/Z−∑ 2)=Svsg1:Svsg2Ivsg1−:Ivsg2−=(1/Z∑1−):(1/Z∑2−)=Svsg1:Svsg2 (8)SvsglSvsgl(l=1,2)为 VSGl 容量,式(8)稍作整理可得 Z−∑ 1Svsg1=Svsg2Z−∑ 2Z∑1−Svsg1=Svsg2Z∑2−推广到 n 台时有Svsg1Z−∑ 1=Svsg2Z−∑ 2.=SvsgnZ−∑ nSvsg1Z∑1−=Svsg2Z∑2−.=SvsgnZ∑n− (9)令各项均除以 S vsg1(也可以是其他 Svsgl),得Z−∑ 1=Z−∑ 2(Svsg2/Svsg1).=Z−∑ n(Svsgn/Svsg1)Z∑1−=Z∑2−(Svsg2/Svsg1).=Z∑n−(Svsgn/Svsg1)记kl1=SvsglSvsg1kl1=SvsglSvsg1,则Z−∑ 1=Z−∑ 1,Z−∑ 2=Z−∑ 1/k21,⋯ ,Z−∑ n=Z−∑ 1/kn1Z∑1−=Z∑1−,Z∑2−=Z∑1−/k21,⋯,Z∑n−=Z∑1−/kn1(10)式(10)表明,以其中一台 VSG 的负序阻抗为标准,其余 VSG 的负序阻抗为该标准值除以与容 量有关的系数,即可实现负序电流按容量分担。零序阻抗与负序阻抗要求相同,不再重复。4 仿真分析根据图 3、6 在 Matlab/Simulink 中建立序网络 VSG 的仿真模型,其中部分参数的取值如表1 所示。 表 1 部分仿真参数 Tab. 1 Part of simulaton parameters负载参数根据需要设置多种情况,详见下文仿真。4.1 虚拟阻抗实现方案仿真验证虚拟阻抗实现方案的正确性是序网络 VSG 控制策略的前提,为验证方案的正确性,根据表 1中的参数建立 VSG 仿真模型,并给 VSG 加三相不对称负载(A 相：Ld=0,Rd=5 Ω;B 相：L d=0,Rd=5 Ω;C 相：Ld=0,Rd=10 Ω),然后通过阻抗测量算法计算出 VSG 的正负零序阻抗。具体方法是测量逆变器输出滤波器后电压电流(图 3 中的 ua、ub、uc 及 ia、ib、ic),然后对电压电流分别进行序分量分解,再通过傅立叶变换得到各序分量的相量形式,最后根据式(11)计算出 VSG 的正负零序阻抗⎧ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ R+∑ +jω L+∑ =(E˙ i−U˙ +i)/I˙ +iR−∑ +jωL−∑ =U˙ −i/I˙ −iR0∑ +jω L0∑ =U˙ 0i/I˙ 0i{R∑++jωL∑+=(E˙i−U˙i+)/I˙ i+R∑−+jωL∑−=U˙i−/I˙i−R∑0+jωL∑0=U˙i0/I˙i0 结果如表 2 所示。表 2 虚拟阻抗测量结果 Tab. 2 Measurement results of virtual impedence以上结果表明,VSG 各序的测量阻抗与其各序阻抗的理论值基本一致,证明了虚拟阻抗实现 方案的正确性。但同时也要注意,测量误差是不可避免的,因此难以获得各序阻抗的真实值。此外,还有馈线阻抗、参数漂移、元件不匹配等问题均会对正序功率以及负序、零序电流的精确分配产生影响。为此,应将虚拟阻抗设计得大一些(远大于馈线阻抗),以降低功率和电流分配对测量误差、馈线阻抗等的敏感性;对于正序阻抗,还应设计为感性,以便于功率解耦控制。4.2 VSG 独立运行仿真令并网断路器打开,此时 VSG 运行于独立模式。当三相负载不对称时,将出现负序零序电流, 负序及零序电流流过 VSG 因此在 VSG 输出电压上出现负序零序电压。为进行对比,也对常规控制策略进行了建模仿真,其控制算法原理如式(1),理想条件的控制策略中只有一个虚拟阻抗,其取值与基于序网络模型控制策略中正序阻抗相同。图 12、13 分别反应了某一负载下(A 相：Ld=0.02 H,Rd=20 Ω;B 相：Ld=0,Rd=∞;C 相：L d=0,Rd =∞）2 种不同控制策略 VSG 输出电压波形及输出电压中的正负零序分量。由于篇幅所限,不再一一给出不同负载下的 VSG 电压波形。但为清楚起见,通过列表方式给出2 种控制策略在不同三相负载下的 VSG 出口电压(即本地负荷电压)正负零序分量见表 3。 表 3 中,负载参数 1 是单相接负载的情况,改进策略的负序电压分量小于常规策略负序电压分量;负载参数 2 是两相接负载的情况,改进策略的负序电压分量仍然远小于常规策略;负载参数 3 是三相接不对称负载的情况,改进算法负序电压分量 还是远小于常规策略。以上仿真结果表明,改进策略引入发电机负序网络并可以通过设置较小的负序电抗,减小发电机的负序电压,为近区负荷提供较好的电压质量。 图12 常规控制策略 VSG 输出电压波形及其各序分量 Fig. 12 Waveforms of VSG output voltage andits sequence component using traditional control strategies 图 13 序网络 VSG 输出电压波形及其各序分量 Fig. 13 Waveforms of VSG output voltage and itssequence component using sequence network control strategies 表 3 独立运行模式仿真结果 Tab. 3 Simulation results in standalone mode4.3 多台序网络 VSG 的并联运行仿真若闭合 PCC 断路器,虚拟发电机将并网运行,图 14 为 2 台 VSG 并联运行为负载供电的示意图。开关 K 初始状态为开,在 0.5 s 时闭合,因此系统负载起初是平衡的,在 0.5 s 时负载变得不平衡,产生负序电流,适当设计负序阻抗可以实现负序电流的合理分担。根据前面 VSG 独立运行的仿真结果,当按表 1 中的参数确定 VSG1 的正负零序阻抗时,VSG1 的端口电压负序和零序分量较小,可保证良好的电压质量,因此确定 VSG1 的参数依旧按照表 1 设定。这样 VSG1 的负序总阻抗(包括虚拟负序阻抗和滤波器阻抗)为 0.42+jω×0.004 Ω(忽略线路阻抗),为实现负序电流按容量分担,VSG2 负序总阻抗应为Z−vsg2=Z−vsg1/k21=(0.42+jω × 0.004)/(S2/S1)=0.84+jω × 0.008Zvsg2−=Zvsg1−/k21=(0.42+jω×0.004)/(S2/S1)= 0.84+jω×0.008 减去滤波器阻抗后可得虚拟负序阻抗为0.64+jω × 0.0060.64+jω×0.006 Ω,考虑滤波模块对虚拟电阻的影响最终可确定L−V2LV2−=6 mH,R−V2RV2−=0.581 Ω,零序阻抗的设置原理类似,不再重复。 图 14 2 台 VSG 并联运行网络 Fig. 14 Network of two VSGs parallel operation 表 4 VSG2 参数 Tab. 4 Parameters of VSG2而对于正序参数的设置满足文献[19]中给出的条件时可实现稳态时正序有功功率和无功功率按容量比分担,最终确定 VSG2 的参数如表 4 所示。 根据表 1、4 数据建立仿真模型,仿真波形见图 15(图 15(c)—(e)中,实线为 VSG1,虚线为VSG2),VSG 输出电流有效值见表 5。 图 15 仿真结果 Fig. 15Simulation results 从表 5 可以看出,稳态(2 s)时 2 台 VSG 较精确地实现了正负零序电流按容量比分配;而且从图 15 还可以看出,暂态过程中的负序零序电流也是较精确地按容量比分配的,验证了控制算法在稳态和暂态下的电流均分效果。 表 5 2 台 VSG 输出电流序分量有效值 Tab. 5 RMS of two VSGs’ sequence current序网络模型 VSG 控制策略对正序分量仍然采用 P-f 下垂控制和 Q-U 下垂控制实现多台 VSG正序有功无功功率的合理分配,由于表 4 中的有关参数在设置时已经考虑了这一要求,因此 2台 VSG 稳态时可以实现正序有功功率和无功功率按容量比分担,仿真波形见图 16。 图 16 VSG 的输出功率及频率 Fig. 16 Output power and frenquency of VSGs应注意到,由于 VSG 转动惯量的存在,2 台 VSG 间的并联均流速度较慢,且在暂态过程中,2 台VSG 的正序功率(及正序电流)未能精确均分,因此暂态过程中多台不同容量 VSG 间的均流机制还有待进一步的研究。5 结论1）虚拟发电机的常规控制策略由于未区分正负序网络,隐含了虚拟发电机正负零序电抗相等的约束条件,不对称运行时灵活性差,对正负零序参数的控制效果难以兼顾。 2）新提出的基于序网络模型的虚拟发电机控制策略,在虚拟发电机中引入了独立的正负零序网络,通过对负序零序阻抗参数的单独设定可改善虚拟发电机在系统不对称情况下的运行性能。3）三相四桥臂逆变器同时具有正序、负序和零序通路,可以作为实现序网络 VSG 的硬件平台;文中所设计的基于三相四桥臂逆变器的序网路 VSG 方案能够正确有效地实现序网络VSG 模型。参考文献 [1] Blaabjerg F,Teodorescu R,Liserre M,et al.Overview of control and gridsynchronization for distributed powergeneration systems[J].IEEE Trans on IndustrialElectronics,2006,53(5):1398-1409.[2] 丁明,杨向真,苏建徽.基于虚拟同步发电机思想的微电网逆变电源控制策略[J].电力系统自动化,2009,33(8):89-93. 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