VSM交直流混合微網(wǎng)控制

矯德強(qiáng)， 趙 憲

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

隨著微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，交直流混合微電網(wǎng)引起了人們的注意[1],交直流混合微電網(wǎng)(混合微網(wǎng))的運(yùn)行結(jié)合了交流微網(wǎng)和直流微網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)?；旌衔⒕W(wǎng)由交直流子系統(tǒng)通過(guò)電壓源變換器(Voltage Source Converter， VSC)互聯(lián)組成，混合微電網(wǎng)有兩種不同的運(yùn)行模式,即并網(wǎng)模式和孤島模式，保持交流子網(wǎng)的頻率和直流子網(wǎng)的電壓在可接受的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)運(yùn)行是最重要的問(wèn)題?？稍偕茉?Renewable Energy Sources, RES)的高穿透性影響混合微網(wǎng)內(nèi)的頻率和電壓，從而影響其穩(wěn)定性，雙向變換器(BC)控制通過(guò)子網(wǎng)之間雙向功率的合理分配是保證混合微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。起初，電力電子接口是集成不同類型分布式能源進(jìn)入不同微網(wǎng)運(yùn)行模式的重要組成部分，由于電力電子接口的諸多優(yōu)點(diǎn)和它所提供的優(yōu)越性能，功率轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為一種實(shí)用的可再生能源接口方式。文獻(xiàn)[2-3]提出了外特性為電壓源的電壓控制型虛擬同步發(fā)電機(jī)(Virtual Synchronous Generator, VSG)，其本質(zhì)主要考慮了有功-頻率、無(wú)功-電壓的關(guān)系，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的頻率和電壓支撐，在滲透率較高的電網(wǎng)環(huán)境下應(yīng)用廣泛。然而，不同于同步電機(jī)(SM)，RES接口的功率轉(zhuǎn)換器因缺乏支持交流系統(tǒng)頻率和電壓控制所需的慣性，對(duì)改善系統(tǒng)穩(wěn)定性無(wú)效。因此，高滲透水平的VSC也會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性問(wèn)題并影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定[4]。

獨(dú)立的微電網(wǎng)被認(rèn)為是一個(gè)弱系統(tǒng)，因?yàn)榻涣鱾?cè)沒(méi)有頻率支持，直流側(cè)沒(méi)有直流電壓支持，因此，交直流子微網(wǎng)之間功率的合理分配對(duì)微電網(wǎng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，發(fā)電或負(fù)載條件的變化會(huì)導(dǎo)致大的頻率偏差，可能會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定[5]。文獻(xiàn)[6]指出，增加交流微電網(wǎng)的負(fù)荷會(huì)使主導(dǎo)系統(tǒng)極點(diǎn)移到一個(gè)不穩(wěn)定的區(qū)域。文獻(xiàn)[7]對(duì)微電網(wǎng)中功率波動(dòng)時(shí)的 VSG 儲(chǔ)能單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證了直流母線電壓的穩(wěn)定。因此，混合微電網(wǎng)的穩(wěn)定性不僅依賴于交流微電網(wǎng)，還依賴于直流微電網(wǎng)。此外，通過(guò)雙向轉(zhuǎn)換器供電或吸收電能，不僅影響交直流子網(wǎng)的動(dòng)態(tài)和性能，還可能導(dǎo)致整個(gè)混合系統(tǒng)的不穩(wěn)定運(yùn)行。關(guān)于功率分配，文獻(xiàn)[8]引入虛擬阻抗，并提出一種改進(jìn)的下垂控制，提高了并聯(lián)轉(zhuǎn)換器有功均分效果，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)功均分。文獻(xiàn)[9]針對(duì)孤島運(yùn)行的交直流混合微電網(wǎng)提出一種功率協(xié)調(diào)控制策略，研究了混合微網(wǎng)的自主運(yùn)行。文獻(xiàn)[10]提出了應(yīng)用雙向轉(zhuǎn)換器(BC)合理分配功率的概念。

文中通過(guò)應(yīng)用結(jié)合VSC和SM特性的虛擬同步機(jī)(VSM)控制器的概念來(lái)解決上述問(wèn)題。電力電子轉(zhuǎn)換器的VSM控制算法可以添加到轉(zhuǎn)換控制器中，使其像SM一樣工作。該算法將虛擬慣性和虛擬阻尼引入到接口變換器的回路控制器中，在SM的實(shí)際操作中，VSC沒(méi)有物理慣性質(zhì)量。文中主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是提出了一種新的控制算法，使雙向轉(zhuǎn)換器作為同步電機(jī)來(lái)支持孤島運(yùn)行模式下交流子網(wǎng)電壓和頻率以及直流子網(wǎng)的電源。文中還將基于VSM的雙向轉(zhuǎn)換器自主功率分配作為第二創(chuàng)新點(diǎn)，所提出的控制器由內(nèi)環(huán)電流和外環(huán)電壓兩個(gè)控制器組成，電流控制環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)轉(zhuǎn)換器的保護(hù)，使其免受過(guò)流的影響。該控制算法也適用于雙環(huán)電流控制器的不平衡混合系統(tǒng)，所討論的系統(tǒng)基于平均VSC模型,顯示混合微網(wǎng)的配置及其參數(shù)；應(yīng)用PSCAD進(jìn)行仿真,將提出的控制算法與傳統(tǒng)電流控制器算法進(jìn)行對(duì)比，揭示其優(yōu)勢(shì)，給出了仿真結(jié)果和分析；最后給出結(jié)論。

1 交直流混合系統(tǒng)配置和控制結(jié)構(gòu)

文中使用的交直流混合微電網(wǎng)配置如圖1所示。

交流側(cè)由風(fēng)能發(fā)電與柴油發(fā)電供電，電流先通過(guò)整流器進(jìn)行過(guò)濾，再通過(guò)逆變器將電能供給交流負(fù)載，存在一塊電池板為交流側(cè)后備電源。直流側(cè)由光伏陣列與電池板供電，電流通過(guò)整流器過(guò)濾后直接配送給直流負(fù)載，交流子微網(wǎng)與直流子微網(wǎng)通過(guò)雙向轉(zhuǎn)換器連接。

直流子系統(tǒng)逆變器的控制結(jié)構(gòu)是基于級(jí)聯(lián)電壓和電流控制，如圖2所示。

交流子系統(tǒng)和雙向變換器的控制結(jié)構(gòu)基于電流和電壓控制器同步參考框架如圖3所示。

BC控制器只包括電流環(huán)和電流基準(zhǔn)，由下垂控制器控制[11]，參考數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

1.1 交流微網(wǎng)

交流子微網(wǎng)中的分布式發(fā)電(Distributed Generation， DG)單元由直流電源供電的三相電壓源變換器(VSC)組成，無(wú)論是用直流電壓源表示的可調(diào)DG或非可調(diào)DG均由傳統(tǒng)下垂方案控制，每個(gè)DG單元根據(jù)預(yù)定義的下垂增益提供負(fù)載。因此，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)稱時(shí)，為了使所有DG單元具有相同的功率分配，下垂增益也應(yīng)該是相同的。此外，DG單元之間的平等功率共享為系統(tǒng)提供了穩(wěn)定裕度[12]。DG機(jī)組必須滿足交流子網(wǎng)有功電源的供電要求，每個(gè)DG注入的總功率之和必須等于共同的交流負(fù)載功率之和

(1)

式中：PACload——總交流負(fù)載功率；

n——變量,連接到AC微電網(wǎng)的DG單元數(shù)。

圖1 交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖2 直流DG機(jī)組的級(jí)聯(lián)電壓和電流控制

圖3 包含虛擬阻抗級(jí)聯(lián)電壓和電流控制器的控制塊

表1 交直流混合微網(wǎng)的參數(shù)配置

1.2 直流微網(wǎng)

每個(gè)DG單元在直流子微網(wǎng)中由來(lái)自直流電源供能的半橋DC-DC變換器組成，直流子網(wǎng)中的直流母線電壓是基于下垂控制的DG單元，下垂控件與AC子網(wǎng)類似，每個(gè)DG單元根據(jù)預(yù)定義的下垂增益提供負(fù)載。每個(gè)DG單元注入的總功率之和必須等于共同的直流負(fù)載功率之和

(2)

1.3 混合微網(wǎng)的自主控制

交流子微網(wǎng)的自主運(yùn)行主要是基于下垂控制，其供電功率是有功還是無(wú)功取決于系統(tǒng)的頻率和在公共耦合點(diǎn)(Point Common Coupling， PCC)上的交流電壓[13]，增加交流負(fù)載降低了系統(tǒng)的頻率,使DGS提供更多有功功率的標(biāo)志，反之亦然。另一方面，降低PCC點(diǎn)的交流電壓是DGS提供無(wú)功功率的標(biāo)志。因此，采用矢量控制可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的有功控制和無(wú)功控制。

直流子微網(wǎng)的自主運(yùn)行類似于交流子微網(wǎng)，直流電壓水平?jīng)Q定所需的注入功率，直流電壓的變化是DGS通過(guò)注入有功功率來(lái)維持直流電壓的主要信號(hào)。由于電阻線的壓降，直流微電網(wǎng)中所有具有相同下垂系數(shù)的DGS并不能分配相同的功率。與交流和直流微電網(wǎng)相比，基于下垂控制的雙向轉(zhuǎn)換器的自主運(yùn)行有很大不同，BC基于下垂控制可以自主控制，這是通過(guò)測(cè)量其交直流終端的交流子網(wǎng)頻率和直流子網(wǎng)電壓電平和來(lái)確定的。因此，控制基準(zhǔn)由與交流微網(wǎng)頻率相關(guān)的交流下垂和與直流微網(wǎng)直流電壓相關(guān)的直流下垂之和組成。BC的交直流組合下垂特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(3)

(4)

(5)

當(dāng)BC功率基準(zhǔn)由式(3)確定后，在只使用電流控制器回路的情況下，通過(guò)將電源基準(zhǔn)除以電壓大小可以找到輸入電流控制器的電流基準(zhǔn)。

2 仿真結(jié)果及分析

研究中使用的系統(tǒng)模型由在PSCAD/EMTDC中構(gòu)建的平均VSC模型組成，文中的研究主要集中在從直流到交流和從交流到直流的功率交換。此外，還將基于新型VSM控制器和傳統(tǒng)電流控制器回路的混合微電網(wǎng)進(jìn)行了對(duì)比分析。

在這種情況下，兩個(gè)混合微電網(wǎng)具有相同的操作條件，在欠載條件下兩個(gè)子系統(tǒng)的負(fù)載功率變化特性仿真如圖4所示。

圖4 交流微網(wǎng)在欠載條件下的負(fù)載功率變化

最初交流子系統(tǒng)為交流負(fù)載提供功率1 MW，而直流子系統(tǒng)提供0.8 MW，在t=5 s時(shí)，交流負(fù)載功率增加到1.5 MW。

欠載條件下的BC功率交換如圖5所示。

圖5 欠載條件下的BC功率交換

圖5中，在反應(yīng)緩慢的過(guò)渡時(shí)期供電可能更可取，更好的情況是由控件提供的，僅基于電流控制器的BC沒(méi)有顯示這一特性。如圖4和圖5的開(kāi)頭所示，提出基于VSM控制改進(jìn)了交流子系統(tǒng)中DGS的啟動(dòng)瞬變，減少了超調(diào)。

由于BC控制器中存在VSM，慣性的影響導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器功率受影響。直流微網(wǎng)在欠載條件下的負(fù)載功率變化如圖6所示。

圖6 直流微網(wǎng)在欠載條件下的負(fù)載功率變化

圖6中，在t=3 s時(shí)，直流負(fù)載功率從0.4 MW增加到0.8 MW,因此，對(duì)交流子系統(tǒng)沒(méi)有任何影響。在這種情況下，兩個(gè)子系統(tǒng)都在欠載條件下工作，因此兩個(gè)子系統(tǒng)DGS單元仍然可以提供更多的額外功率，相當(dāng)于每個(gè)DG機(jī)組均分0.2 MW。

慣性是指由雙向轉(zhuǎn)換器提供的一段短時(shí)間內(nèi)的功率，代表了頻率變化過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量。從圖5和圖6中可以看到，在t=5 s時(shí)，由于直流子網(wǎng)的下垂控制特性，直流電壓跟隨VSM動(dòng)作并且從直流微網(wǎng)到交流微網(wǎng)的功率轉(zhuǎn)換用了很短的時(shí)間。此外，直流子系統(tǒng)中的DGS單元在暫態(tài)擾動(dòng)下供電，因此直流DGS單元也跟隨VSM動(dòng)作，直流微網(wǎng)在欠載條件下的母線電壓如圖7所示。

圖7 直流微網(wǎng)在欠載條件下的母線電壓

3 結(jié) 語(yǔ)

介紹了交直流混合微電網(wǎng)中基于VSM的集成電路控制，VSM控制策略在不同的負(fù)載情況下，保證了交流和直流子網(wǎng)之間精確的雙向功率潮流。

對(duì)基于BC的兩種不同控制結(jié)構(gòu)的混合微網(wǎng)進(jìn)行了研究和比較，實(shí)驗(yàn)研究表明，在不同負(fù)載條件下，由于交流電壓降低負(fù)荷，VSM算法比只使用電流控制回路更有效。仿真結(jié)果表明，所提出的控制策略提高了整個(gè)混合微電網(wǎng)的性能。通過(guò)在PSCAD/EMTDC環(huán)境下模擬測(cè)試系統(tǒng)，驗(yàn)證了VSM控制算法對(duì)混合微電網(wǎng)的影響。