虛擬同步發(fā)電機(jī)平衡電流控制方法的研究

梁艷召

（西嶺磁能科技正定有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050800）

0 引言

作為由獨(dú)立負(fù)荷與電源共同組成的一種可控系統(tǒng)，微電網(wǎng)不僅能夠形成孤島模式，還可形成并網(wǎng)和自由切換2 個模式，為供電可靠性與供電質(zhì)量提供保障。大電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間采用并網(wǎng)逆變器相連接，其控制效果對微電網(wǎng)運(yùn)行效果將會產(chǎn)生直接影響。常規(guī)并網(wǎng)逆變器具有較快的響應(yīng)速度，但缺乏轉(zhuǎn)動慣量，難以將電壓與頻率支撐提供給分布式電源配電網(wǎng)，也不能為微電網(wǎng)提供阻尼作用[1]。而同步發(fā)電機(jī)本身存在調(diào)頻調(diào)壓與維持功率平衡特性，具有較大的轉(zhuǎn)動慣量與阻尼，當(dāng)電網(wǎng)故障發(fā)生時，可以在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，有助于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升，因此必須提升分布式發(fā)電性能，該技術(shù)稱為虛擬同步發(fā)電機(jī)（以下稱VSG）。但相關(guān)研究表明[2]，電網(wǎng)必須運(yùn)行于電壓三相平衡狀態(tài)下，然而很多電網(wǎng)會因短路故障或者電壓跌落等問題而出現(xiàn)電壓失衡，該情況下VSG 會產(chǎn)生電流不平衡、無功功率振蕩等問題。為此，該文基于VSG 電網(wǎng)電壓不平衡情況，分析并網(wǎng)電流失衡、輸出功率振蕩產(chǎn)生的原因和瞬時負(fù)序電流量、瞬時功率量的關(guān)系，提出了有效控制VSG 平衡電流的手段，可持續(xù)滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行需求。

1 虛擬同步發(fā)電機(jī)基本原理

三相三線制虛擬同步發(fā)電機(jī)拓?fù)溥B接圖如圖1 所示。

圖1 VSG 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

VSG 模擬同步發(fā)電機(jī)控制框如圖2 所示。

圖2 VSG 控制框

VSG 控制對同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理進(jìn)行模擬，將無功和有功參考指令調(diào)節(jié)成公式（1）中所標(biāo)注的電壓指令，可有效實(shí)現(xiàn)三相電網(wǎng)電壓平衡下的電網(wǎng)恒定功率，進(jìn)而將阻尼與慣性支持提供給電網(wǎng)。

2 虛擬同步發(fā)電機(jī)功率流分析

在VSG 運(yùn)行于失衡電網(wǎng)電壓的情況下，并網(wǎng)點(diǎn)電壓會對VSG 輸出電流、功率等產(chǎn)生影響[3]。與傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器比較類似，VSG 負(fù)序電壓分量通常會產(chǎn)生于失衡電網(wǎng)電壓中，這樣就很容易影響輸出功率、電流波形質(zhì)量，以下為問題產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。

假設(shè)，三相電網(wǎng)電壓ua，ub，uc如公式（2）所示。

式中：u+m、θp表示正序電網(wǎng)的電壓幅值與相位；θn、u-m表示負(fù)序電網(wǎng)電壓幅值和相位；w表示電網(wǎng)的電壓角頻率。

Clarke 對公式（2）進(jìn)行變換后，可獲得靜止坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓uα、uβ，具體如公式（3）所示。

公式（3）內(nèi)，電網(wǎng)電壓負(fù)序分量、正序分量如公式（4）所示。

根據(jù)瞬時功率定義，可將瞬時無功、有功功率表示為公式（5）。

式中：iα、iβ分別為靜坐標(biāo)并網(wǎng)電流分量。

因此，靜止坐標(biāo)系下，瞬時無功、有功功率如公式（6）、公式（6）所示。

通過分析以上公式發(fā)現(xiàn)，失衡電網(wǎng)電壓狀態(tài)下，由于負(fù)序電流和負(fù)序電壓均≠0，因此輸出功率可能會產(chǎn)生二倍頻的振蕩分量，而且還會導(dǎo)致電流失衡。如果用4 個自由度控制自由變量以抑制電流平衡與功率振蕩，該目標(biāo)將難以同時實(shí)現(xiàn)。

3 虛擬同步發(fā)電機(jī)功率-電流協(xié)調(diào)控制

在傳統(tǒng)逆變器中，一般會基于公式（6）將電流參考值計(jì)算出來，由此即可有效控制恒定無功、恒定有功和平衡電流[4]。該文在不影響正序電流的情況下，只計(jì)算負(fù)序電流參考值。

3.1 恒定有功控制

事實(shí)上，恒定有功控制目標(biāo)多為取得恒定有功功率，為獲得恒定有功功率，應(yīng)清除有功功率二倍頻，而且還應(yīng)取消有功功率波動分量，也即應(yīng)滿足Pc2=Ps2=0，根據(jù)公式（6）、公式（7）可得公式（8）。

從以上公式能夠看出，為對有功功率振蕩進(jìn)行有效控制，需要分別控制負(fù)序與正序電流。但為了不對正序電流產(chǎn)生影響，該位置僅控制負(fù)序電流，以獲取相似控制效果。從公式（8）計(jì)算出負(fù)序電流控制指令，即如公式（9）、公式（10）所示。

3.2 恒定無功控制

類似于恒定有功控制，恒定無功控制如果想得到恒定無功功率，需要對其二倍頻振蕩分量進(jìn)行消除，同時滿足Qc2=Qs2=0，根據(jù)公式（6）、公式（7）可得公式（11）。

從公式（11）計(jì)算出負(fù)序電流控制指令，如公式（12）所示。

3.3 平衡電流控制

為得到三相平衡電流，僅需將電流負(fù)序分量消除，即可實(shí)現(xiàn)平衡電流控制，滿足i-αref=i-βref=0。

對上述3 種控制進(jìn)行分析，由于負(fù)序電流參考值有所差異，3 種控制方式難以同時實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)基于不同需求，對并網(wǎng)電流質(zhì)量與功率振蕩對電網(wǎng)所產(chǎn)生的影響進(jìn)行綜合考慮，因此該文基于靜止坐標(biāo)系，提出了VSG 功率-電力路協(xié)調(diào)控制方式[5]。

3.4 功率-電流協(xié)調(diào)控制

兩倍頻率余弦與正弦分量共同組成VSG 瞬時無功與有功功率振蕩，電流正負(fù)序分量會直接影響功率振蕩幅值。當(dāng)正序電流穩(wěn)定時，可通過控制并網(wǎng)電流負(fù)序分量更改VSG輸出功率振蕩正余弦分量值，具體如圖3 所示，得出的VSG電磁方程如公式（13）所示。

圖3 VSG 控制算法（來源：知乎網(wǎng)）

式中：R、L分別為逆變器和電網(wǎng)間的電阻與電感。

先采樣得出并網(wǎng)電流iabc與電網(wǎng)電壓uabc，通過Clarke 轉(zhuǎn)換uabc，并通過復(fù)數(shù)濾波器分量將模塊提取出來，獲得。根據(jù)公式（13）計(jì)算逆變器側(cè)負(fù)序的參考電壓，借助疊加正序逆變器實(shí)現(xiàn)信號的有效調(diào)制，進(jìn)而獲得參考電壓調(diào)制信號。此外，還需要通過SVPWM 調(diào)制得到開關(guān)驅(qū)動信號，最終實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行目標(biāo)。

靜止坐標(biāo)系下的VSG 功率電流協(xié)調(diào)無須鎖相環(huán)，同時方便結(jié)構(gòu)控制。在不影響正序電流的情況下，該文的控制策略是根據(jù)瞬時功率計(jì)算出負(fù)序電流的參考值，創(chuàng)建恒定無功、有功和電流平衡的統(tǒng)一解析表達(dá)式，以達(dá)到功率電流協(xié)調(diào)控制目的[7]。結(jié)合公式（10）、公式（12）以及公式（13）能夠得出電流平衡控制、恒定務(wù)工與有功負(fù)序電流參考值，如公式（14）、公式（15）所示。

式中：λ為調(diào)節(jié)系數(shù)。

在λ為-1 的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)恒定有功控制；在λ為1的情況下，恒定無功控制；在λ為0 的情況下，平衡電流控制[8-9]。為協(xié)調(diào)控制無功功率、有功功率以及電流，與上述3 種控制模式相結(jié)合，于連續(xù)區(qū)間定義λ，確定λ的取值為[-1，1]，以調(diào)節(jié)λ值的方式協(xié)調(diào)控制功率和電流調(diào)節(jié)功能。

4 結(jié)論

該文提出了在電網(wǎng)電壓失衡下適用的一種VSG 平衡電流控制策略，主要是通過電流指令對連續(xù)電流內(nèi)環(huán)控制與VSG 控制進(jìn)行計(jì)算，在對逆變器輸出電流進(jìn)行控制的基礎(chǔ)上，保持VSG 本質(zhì)屬性。該文所提控制方法能夠在電網(wǎng)電壓失衡狀態(tài)下對VSG 三相平衡電流進(jìn)行有效控制，還可有效降低故障電流、無功與有功振蕩幅值。該控制方法對電網(wǎng)電壓線路參數(shù)與失衡類型不具有依賴性，無須切換控制模式與檢測故障，且控制結(jié)構(gòu)也比較簡單。