基于虚拟同步发电机思想的微电网逆变电源控制策略(1)

摘要: 提出了一种基于同步发电机机电暂态模型的新型微电网逆变电源(称为虚拟同步发电机) 。功率控制器和电压频率控制器使该逆变电源具有功率控制和调频调压双重功能,而且在微电网发生故障时仍能作为不间断电源向重要负荷供电,预并列单元则使得该逆变电源能够可靠并联到微电网上;当微电网连接大电网运行时,系统频率由大电网决定,各虚拟同步发电机可采用功率控制策略使其按照功率调度指令输出功率。当微电网孤岛运行时,必须有逆变单元采用电压频率控制策略,提供微电网的电压参考;微电网中,同等容量的逆变电源还可以任意替换,易于模块化、标准化生产,增加了微电网控制的灵活性,提高了系统的可靠性。所提出的控制策略已在MA TLAB/Simulink 上得到验证。

0 引言

微电网是由负荷和多个微源组成的集合系统,具有联网和孤岛2 种工作模式,是分布式发电领域非常活跃的分支。目前,由微电网中央控制器和单元控制器组成的集中控制型微电网的研究较多[124 ] ,该结构与传统电力系统类似,但微电网是以逆变电源为主的小型电网,其中,具有储能单元的逆变电源起着维持系统电压稳定、频率稳定和功率平衡的重要作用,其控制策略的研究是微电网的关键技术之一[5 ] ,也是本文研究的主要内容。

微电网孤岛运行时,需要下面2 种功能的逆变电源: ①作为可调度单元,只根据功率调度指令输出功率; ②作为调频调压单元,提供发电单元与负荷之间的瞬时功率偏差,维持微电网频率和电压的稳定[527 ] ;微电网连接大电网运行时,系统频率由大电网决定。微电网逆变电源只需要按照指定功率运行[8 ] 。文献[4 ]指出在逆变电源直流侧加装储能装置,可以将前级能源为风能、太阳能等不可调度的分布式发电单元转化为可调度单元。本文主要研究配置有储能装置的逆变电源控制策略,如果这些逆变电源都具有功率控制和调频调压双重功能,且可以根据运行模式或其他条件切换控制策略,改变它在微电网中的角色,将会大大增加微电网控制的灵活性。当微电网故障时,如果该逆变电源能够继续不间断地向重要负荷供电,将会进一步提高微电网供电可靠性。这种设计也有利于逆变电源模块化和标准化生产,有重要的现实意义。目前国内外相关文献还较少[829 ] 。

本文基于上述思想提出了一种新型微电网逆变电源,由该逆变电源组成的微电网既能连接大电网运行,又能实现孤岛运行时频率的无差控制。

1 虚拟同步发电机的基本结构

大型电力系统中,为了维持系统频率稳定和功率平衡,同步发电机组按照功能可以分为非调频机组和调频机组。非调频机组正常运行时按预先给定的负荷曲线发电,并配备调速器参与动态频率调节;调频机组主要利用同步器进行系统频率调整[10 ] 。如果能够将具有储能装置的微电网逆变电源的数学模型等效为同步发电机模型,再借鉴调速器和同步器的工作原理设计逆变电源的控制器,电力系统中相关控制策略、理论分析方法就可以方便地引入由该新型逆变电源组成的微电网中。据此,本文提出了图1 所示的新型微电网逆变电源(称为虚拟同步发电机(VSG) ) ,其主电路为三相全桥逆变电路,Lf i和Cf i ( i = a ,b ,c) 分别为滤波电感和电容,L i 用来实现功率传输, rL i是滤波电感、开关器件、线路等元件的等效电阻之和,并假设直流侧为电压恒定的储能装置,且允许能量双向流动。VSG算法模块采用同步发电机的机电暂态数学模型,有效模拟同步发电机的转子机械特性和定子电气特性;功率控制器(简称PQ 控制器) 和电压频率控制器(简称V f 控制器) 分别实现按功率调度指令发电和调频调压2 种功能,预同步单元则确保VSG满足并网条件后闭合接触器KM ,模式选择信号用来选择是PQ 控制模块、V f 控制模块还是预同步控制模块有效。

式(1) 算法中的机械转矩、转动惯量、定子电枢电阻、同步电抗、电角速度以及感应电动势等参数与同步发电机相应参数的物理意义相同,并根据系统功率的大小,选择功率相匹配的实际同步电机设计参数作为该算法的参数,利用单片机、DSP 等数字装置可以很容易实现,而且设置更加灵活。为了方便起见,本文仍然沿用以前的参数名称。

图1 中,将电感电流经过低通滤波器后反馈到VSG算法模块中,使ii = iL i ,并将由定子电压方程得到的ui 作为逆变电源的调制波,根据面积等效原则[12 ] ,逆变桥输出电压ujO ( j = A ,B ,C) 中的基波电压等于调制波ui ,因此,图1 虚线框内的模型可以等效成电枢电阻为ra 、同步电抗为xt 的机电暂态同步发电机模型。由于滤波器主要用于滤除高次谐波分量,并不改变基波分量的特性,所以机电暂态模型所反映的转子动态特性与同步发电机相同,完全可以用同步发电机的物理模型进行分析。

2 控制器设计

本文将VSG设计为具有功率控制和调频调压双重功能的可控电压源,以便在微电网发生故障时,仍能作为不间断电源向重要负荷供电。所设计的控制器如图2 所示。

2. 1 Vf 控制

V f 控制的VSG 主要负责调节微电网孤岛运行时系统的频率,维持节点电压的稳定,输出的有功功率和无功功率则由负荷决定,其接入点的节点特性为V f 节点。

1) 频率控制

在微电网中,V f 控制的VSG 负责整个系统频率的调整,该逆变电源必须拥有足够的调整容量及调整范围,且具有与负荷变化相适应的调整速度,需要根据微电网容量、经济性、发电单元调节速度等条件合理选择。

2. 2 PQ 控制

PQ 控制策略使VSG 输出的有功功率和无功功率可控,在微电网中,该逆变电源接入点的节点特性是PQ 节点。