0 引言

    微電網是各種類型的分布式電源并網的重要形式，也是清潔能源與電網之間的橋梁。隨著分布式電源滲透率的提高，增大對大電網電壓和頻率的不利影響，從而提高系統穩定性是亟待解決的。傳統的微網逆變器控制策略幾乎沒有慣性，無法為電網提供穩定性支撐，所以需要新的控制策略來改善新能源的調頻調壓特性，對未來智慧城市的建設具有重要意義。

    虛擬同步發電機(VSG)的外接口特性能夠與同步發電機(SG)相媲美，具備SG所固有的轉子慣性、調頻調壓特性、下垂外特性以及輸出阻抗特性，對維持大電網穩定性具有重要意義，利用VSG算法將逆變器控制成具有SG的特性，在負荷變化過程中，維持頻率和電壓穩定^[1]。文獻[1]通過模擬同步發電機的預同步裝置，實現虛擬同步發電機并/離網無縫切換，并且給出了轉動慣量和阻尼系數的參數優化方法，但沒有考慮實際參數的物理意義。文獻[2-3]按照SG的電磁暫態特性進行設計，主要考慮了有功調頻和無功調壓特性，保證了系統動態過程頻率和輸出電壓的穩定性。文獻[4]對同步發電機轉子運動方程線性化處理，提出了阻尼參數和轉動慣量優化方案，但沒有給出電磁暫態特性及調壓特性，弱電網下難以支撐電壓。

    本文基于孤島微電網下的VSG虛擬阻抗的雙閉環控制策略，結合VSG控制框圖，首先詳細闡述了虛擬同步發電機各個控制部分的基本原理，其次以兩臺不同容量的VSG為例，提出并聯組網時的功率分配策略，通過搭建兩臺不同容量的VSG并聯系統仿真模型，實現VSG在并網下按照額定容量比進行功率分配。最后經過驗證，多VSG并聯下的功率分配策略可以實現離/并網模式下的無縫平滑切換。

1 虛擬同步發電機控制策略

    虛擬同步發電機控制策略主要包括功頻調節器、勵磁調節器、電氣控制部分、雙閉環控制以及預同步過程五個部分，調制部分為SPWM調制用于驅動IGBT的通斷，VSG控制框圖如圖1所示。

1.1 功頻調節器

    由原動機方程和機械轉子方程共同組成功頻調節器，假設極對數為1，VSG的轉子運動方程如式(1)。

式中：ω為轉子角速度；ω₀為空載轉子角速度；T_m為機械轉矩；T_e為電磁轉矩；P_m、P_e分別為機械功率和電磁功率；D為虛擬阻尼系數；J為虛擬慣量。虛擬同步機的功頻調節器能夠在并網跟蹤的基礎上對頻率的偏差做出有功調節響應，有效提升多微源逆變器應對頻率異常事件情況，有助于頻率的平穩變化，提高了系統的穩定性。

1.2 電氣控制部分

    現研究的逆變器控制算法大多數是逆變器輸出呈阻性，實際中同步發電機的輸出阻抗呈感性，故本文模擬同步發電機的外特性，VSG的電氣控制部分采用同步發電機的二階方程，為使VSG輸出阻抗呈感性，令r=0，如式(2)。

1.3 勵磁調節器

    通過無功調壓下垂特性得到VSG機端電壓的給定值Uref，其表達式：

式中：U_N為額定電壓，D_q為無功調節系數，Q_ref、Q分別為無功指令和瞬時無功值。

    VSG無功調壓控制部分較好地模擬同步發電機勵磁系統穩定電壓的特性，使得輸出電壓在一個合理值，能夠更好地實現VSG并聯下的功率分配。

1.4 雙環控制

    通過電壓和電流的相互解耦，實現電壓和電流的獨立控制能夠簡化控制算法，使得多微源逆變器的電壓控制方式是由電壓外環控制器和電流內環控制器組合來實現的，電壓外環的主要作用是確定電流內環的參考值，電流內環的主要作用是實現電流的快速跟蹤控制，輸出SPWM波的調制電壓信號。控制框圖如圖1所示。

1.5 預同步控制原理

    為減少電流沖擊的影響，虛擬同步發電機并入微網前其輸出電壓頻率、相位和幅值必須與多微源母線電壓一致，預同步原理：q軸電壓經過PI調節器后產生頻率調節量與VSG功頻調節器的輸出頻率疊加，產生微網母線電壓相位θ，并入多VSG時，為使Δω=0，必須切除并聯同步。此刻，VSG將和其他VSG共同承擔供電任務（注意VSG是空載并入逆變器的）。

    總的來說，虛擬同步發電機控制的逆變器具有和傳統同步發電機一樣的外特性，在穩定電壓和頻率的同時，分別利用虛擬慣量和虛擬阻尼系數來提高微電網的頻率和電壓的穩定性。

2 多VSG并聯時的功率分配策略

    本文主要討論不同容量的兩臺VSG并聯組網時的功率分配，由于本文提出的基于VSG虛擬阻抗的雙閉環控制策略可以通過調整虛擬阻抗的取值來調整其輸出阻抗的大小，圖2為含線路阻抗的兩臺VSG并聯示意圖，由于每臺VSG輸出有功功率和無功功率均受線路阻抗的影響，導致功率不能均分^[5]。當輸出阻抗遠遠大于線路阻抗時，線路阻抗對其影響可忽略。

    忽略線路阻抗時，每臺VSG機端輸出功率為：

    要按照額定容量比進行有功功率分配，即需要：

3 仿真分析

    如圖3所示，為兩臺VSG控制的兩電平逆變器帶LC濾波器組成的并聯結構圖，基于此框圖和結合圖1的VSG控制圖，在MATLAB/simulink平臺上搭建模型，對提出的分配策略進行驗證。

    仿真參數：直流母線電壓U_dc=700 V，額定相電壓幅值U_N=311 V，額定頻率f=50 Hz；VSG1仿真參數：J=12，D=18，調頻系數K_p=10 000，無功調節系數D_q=0.03，虛擬阻抗L_vir1=5 mH，濾波電感L₁=2 mH，濾波電容C=50 μF，導線參數：R=0.2 Ω，L₂=0.2 mH；VSG2仿真參數：J=6，D=9，調頻系數K_p=5 000，無功調壓系數D_q=0.06，虛擬阻抗為L_vir2=10 mH，濾波電感L₁=4 mH，導線參數：R=0.4 Ω，L₂=0.4 mH。

    仿真階段：VSG1帶載啟動，0.8 s啟動VSG2，在1 s時投入帶10 kW+8 Var的本地負載，1.5 s投入阻感，并聯同步使能，3～3.5 s并入電網，整個運行時間為4.5 s，在整個階段，兩臺虛擬同步發電機的輸出有功功率和無功功率如圖4和圖5所示。

    由圖4和圖5可知，引入勵磁器后，基于VSG虛擬阻抗的雙閉環控制策略，很好地保證并聯組網模式下并網逆變器對功率的跟蹤，離網運行模式下滿足本地負載的需求，在離/并網模式切換下系統具有和SG一樣的外特性。從圖中看到VSG1和VSG2輸出的有功功率之比和無功功率之比均為2:1，滿足上文中的仿真參數設計，驗證了本文提出的功率分配策略，實現了兩臺不同容量VSG在并聯組網下按照額定容量比進行功率分配。

    圖6和圖7給出了虛擬同步發電機電流波形，3～3.5 s為并網時間，電流出現變化，但又迅速穩定下來，整個階段，電流波形變化在所提策略設想內，運行良好。圖7也是離/并網切換時電流波形變化情況,在切換過程中電流波形平滑穩定，沒有出現沖擊電流或者明顯波動。

    圖8給出的是虛擬同步發電機電壓波形，圖中給出的是1 s～3 s時間段，在離網運行模式，預同步階段，離/并網模式下，虛擬同步發電機端電壓幅值一直保持在311 V左右，說明本文所提策略可以很好地控制其輸出電壓，圖9給出了微電網頻率變化曲線，在1 s投入本地負載時，頻率有微小波動，但很快又趨于平穩；在1.5 s時，無縫切換過程中VSG和微電網的頻率加大，微電網電壓要追趕電網電壓，促使微電網頻率迅速降低后，又在短時間內恢復，在并網階段，頻率保持不變，波形保持完好。圖10給出在1.5 s時的微電網電壓追趕電網電壓波形變化情況，大約在1.63 s實現同步，預同步響應快速。

4 結論

    本文基于現有VSG虛擬阻抗的雙閉環控制策略，引入勵磁控制器，考慮了實際導線參數，提出一種多VSG并聯組網下的功率分配策略，通過搭建兩臺不同容量的VSG并聯系統仿真模型，實現了VSG在并網下按照額定容量比進行功率分配。通過仿真分析和驗證，多VSG并聯下的功率分配策略可以實現離/并網運行模式的無縫平滑切換，對示范工程建設有一定借鑒意義。

參考文獻

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[2] 丁明，楊向真，蘇建徽.基于虛擬同步發電機思想的微電網逆變電源控制策略[J].電力系統自動化，2009，33(8)：89-93.

[3] Yang Xiangzhen，Su Jianhui，Ding Ming，et al.Control strategy for virtual synchronous generator in microgrid[C]//International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies.IEEE，2011：1633-1637.

[4] SHINTAI T，MIURA Y，ISE T.Oscillation damping of a distributed generator using a virtual synchronous generator[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2014，29(2)：668-676.

[5] 韓華，劉堯，孫堯，等.一種微電網無功均分的改進控制策略[J].中國電機工程學報，2014（16）：2639-2648.

作者信息:

孫  戈1，張志禹1，馬如偉2

（1.西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安710048；2.國網山東省電力公司萊蕪供電公司，山東 萊蕪271100）