孤岛下交直流混合微电网的VSG控制策略

薛 易， 张 帅， 陈 元

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

随着国家大力提倡可再生能源，以风力发电、光伏发电等为主的分布式电源组成的微网越来越多的接入大电网中。微电网根据母线种类不同，可分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网[1]。交流微电网可解决新能源电源大量接入的问题，直流微电网无需考虑同期及无功问题[2]。交直流混合微电网兼具直流微网和交流微网两者的特点，因此，成为未来微电网的主要发展趋势。交直流混合微电网中的功率双向变换器不仅控制着交流子网和直流子网之间能量的传递，而且对于维持整个系统的稳定性具有重要意义。李峰等[1]针对混合微电网运行时缺少阻尼和惯性，提出了双向功率变换器的VSG控制策略，使交流频率和直流母线电压获得了良好的惯性。蔡文超等[3]利用直流侧的有功变化量控制双向变换器的运行状态，省去了归一化的计算，使控制策略变得简单。董栋等[4]在分析了双向功率变换器的数学模型基础上，提出了用电压电流双闭环的控制策略来实现对双向变换器的控制。焦皎等[5]等提出了一种改进的双下垂控制策略，在控制策略中加入了负序控制，实现了并离网模式的平滑切换。张国荣等[6]提出了一种自适应下垂控制，将交流频率和直流电压数值的微分量加入下垂系数中，提高系统的惯性和动态性能。上述提出的控制策略都能实现有功功率的均匀分配，但是由于电力电子器件的大量存在使混合微电网缺少阻尼和惯性，尤其在孤岛运行状态下，交流频率和直流母线电压的突变对混合微电网的安全运行提出了更高的挑战。笔者在双向功率变换器VSG控制模型基础上，将传统VSG控制策略引入交流微网的微源逆变器，增大交流频率惯性来源，对比微源逆变器的VSG控制，将阻尼系数和转动惯量引入直流微网的变流器，增大直流母线电压惯性来源，通过搭建仿真模型，验证所提控制策略的有效性。

1 交直流混合微电网拓扑结构

典型的交直流混合微电网拓扑结构如图1所示。交流母线可通过并网开关和电网连接。直流子网和交流子网通过功率双向变换器连接[7-10]。分布式发电单元，储能装置和负荷分别通过微源逆变器和变流器接入交流母线和直流母线。

图1 交直流混合微电网结构Fig. 1 AC-DC hybrid microgrid structure

2 交流负荷侧DC-AC的VSG控制

电压型逆变器的拓扑和控制结构如图2所示。

图2 电压型逆变器拓扑结构Fig. 2 Topological structure of voltage inverter

2.1 有功—频率调节器

同步发电机的转子运动方程[2]为

式中：J——转动惯量；

ωN——额定角频率；

ω0——为空载角频率；

ω——实际角频率；

Pm——机械功率；

Pe——电磁功率；

D——阻尼系数；

δ——功角。

因此，可以得到孤岛模式下的有功—频率的控制如图3所示。

图3 有功—频率控制Fig. 3 Active power-frequency control

根据图3有功-频率控制可得

(1)

将ω0=ωN代入式(1)并化简可得

式中：τ——一阶惯性时间常数；

mp——有功-频率下垂系数。

由式(1)可知，VSG控制本质属于下垂控制，在下垂控制基础上，增加了一节惯性时间常数τ，使系统不仅具有下垂控制一样的静态特性，更使作系统具有了惯性和稳性。系统具备了惯性，使得系统更具有稳定性。

2.2 无功—电压调节器

Uref=UN+KV(Qref-Q)，

(2)

式中：Uref——输出参考电压；

UN——额定电压；

KV——无功—电压下垂系数；

Qref——无功功率参考值；

Q——输出无功功率。

根据式(2)可以得到，无功-电压控制原理，如图4所示。交流子网中微源逆变器的控制原理如图5所示。

图4 无功-电压控制Fig. 4 Reactive-voltage control

图5 逆变器VSG控制Fig. 5 Inverter VSG control

3 双向功率变换器的VSG控制

三相电压源型交直流母线双向功率变换器的结构如图6所示。ia、ib、ic为交流侧的三相电流，I为其合成向量；ea、eb、ec为功率变换器的输入电压，E为其合成向量；ua、ub、uc为交流侧三相电压，U为其合成向量。

图6 功率变换器结构Fig. 6 Power converter structure

交流子网和功率变换器之间交换的有功功率和无功功率分别为

(3)

(4)

式中：XL——滤波电抗；

交流侧的电压方程为

(5)

由式(3)可知，通过控制δ可以实现混合微网之间有功功率传输的大小和方向。规定当有功功率从直流微电网传输到交流微电网的方相向为正方向。当δ>0时，功率变换器处于逆变状态，直流子网传输有功功率到交流子网，传输的有功功率P>0；当δ<0时，功率变换器处于整流状态，交流子网传输有功功率到直流子网，传输的有功功率P<0。

在交直流母线双向功率变换器的VSG控制中，文中采用控制交流侧的频率和直流侧的电压来模拟同步电机的转子运动方程，虚拟励磁部分模拟同步电机的励磁调节。通过模拟VSG的转子运动方程和励磁调节，最终可以得到虚拟电动势，由式(5)便可以得到发电机机端的参考电压。

3.1 频率—电压控制

在交流微电网中，转子的机械运动方程为

(6)

(7)

由式(6)、(7)可知，交流微网中的有功功率变化量为

(8)

在直流微网中，由于其电源的分散性质，因此，一般具有下垂特性，其公式为

Pdc=kdc(udc-UdcN)，

(9)

式中：Udc——直流母线的实际电压；

UdcN——直流母线的额定电压；

kdc——下垂系数；

Pdc——直流微电网输出的有功功率。

在系统中，根据混合微电网有功功率瞬时变化量相同的性质，可以得到

ΔP=Pdc。

(10)

将式(8)、(9)代入式(10)，有

(11)

由式(11)可知，通过控制交流侧的角速度ω和直流侧的电压udc实现交直流母线双向功率变换器的VSG控制。

交流微电网中有功功率的变化量D(ω-ωN)和直流微网中的输出功率Pdc分别为交流频率和直流电压提供惯量，维持交直流混合微电网瞬时的有功功率的平衡性。

当系统处于稳态平衡时，交流子网和直流子网分别独立运行，此时，交流频率和直流电压稳定，

(12)

将式(12)代入式(11)，有D(ω-ωN)=kdc·(udc-UdcN)。当忽略阻尼绕组作用时，阻尼系数D和交流子网的下垂系数ku相等，有

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ku(ω-ωN)=kdc(udc-UdcN)。

(13)

由式(13)表明，当系统达到稳态时，交流子网和直流子网都具有下垂特性。

3.2 虚拟励磁调节器

E=Eref+kq(Qref-Q)，

式中：E——虚拟电势有效值；

Eref——空载电动势；

kq——无功下垂系数；

Qref——无功功率参考值；

Q——无功功率有效值。

根据上述分析，设计出双向功率变换器的VSG控制，如图7所示。

图7 功率变换器VSG控制Fig. 7 Power converter VSG control

4 变流器的类虚拟同步电机控制

直流微电网中，直流电压是衡量直流微网稳定的指标。因此，在直流微电网中，应当阻止直流母线电压的大幅度振荡和突变。对比传统逆变器的VSG算法，在直流子网中同样引入转动惯量J和阻尼系数D，使直流子网母线电压得到惯性支持，减小直流母线电压的波动。结合直流微电网的下垂特性，可以得到直流母线电压为

(14)

式中：Udc——直流母线实际电压；

Uref——直流母线参考电压；

P——直流微源输出功率。

根据式(14)，设计出直流微网DC-DC变换器的控制，如图8所示。

图8 变流器控制Fig. 8 Converter control

5 仿真结果与分析

利用Matlab/Simiulink来搭建如图1所示交直流混合微电网的模型。

逆变模式，在t=1 s时，交流侧负荷增加约4 kW,双向功率变换器处于逆变状态，t=4 s时，交流侧负荷减少，双向功率变换器中流过约3 kW的有功功率。图9为采用VSG控制时交直流混合微电网的直流电压、交流频率和传输的有功功率。图10为采用传统下垂控制时混合微电网的直流母线电压、交流频率和有功功率。通过对比图9和图10可以看出，系统采用传统下垂控制时响应速度很快(约为0.1 s)。在响应过程中，直流电压的波动最大为2 V左右，交流频率的波动最大约为0.5 Hz。而在VSG控制下，直流电压和交流频率约经过0.5 s到达新的稳态过程，响应速度相比下垂控制较慢，而且在响应过程中，直流电压和交流频率的最大波动分别为1 V和0.2 Hz，波动程度更小。

图9 VSG控制仿真波形Fig. 9 VSG control simulation waveform

图10 下垂控制仿真波形Fig. 10 Simulation waveform of droop control

整流模式，当t=1 s时，直流侧负荷增加约4 kW，双向功率变换器处于整流状态，当t=4 s时，直流侧负荷减少，双向功率变换器中流过约-2 kW的有功功率。图11为采用VSG控制时交直流混合微电网的交流频率、直流母线电压和传输的有功功率。图12为采用传统下垂控制时混合微电网的交流频率、直流母线电压和传输的有功功率。通过对比图11和图12可以看出，系统采用传统下垂控制时响应速度很快(约为0.1 s)；在响应过程中，直流电压的波动最大为3 V左右，交流频率的波动最大约为0.5 Hz。而在VSG控制下，直流电压和交流频率大约经过0.5 s到达新的稳态过程，响应速度相比下垂控制较慢，而且在响应过程中，直流电压和交流频率的最大波动分别为1 V和0.1 Hz，波动程度更小。

图11 VSG控制仿真波形Fig. 11 VSG control simulation waveform

图12 下垂控制仿真波形Fig. 12 Simulation waveform of droop control

综上所述，在孤岛模式下，无论混合微电网处于逆变模式还是整流模式下，当采用VSG控制策略时，直流电压和交流频率都会经过较长的时间到达稳态 ，具有良好的惯性，而且在响应过程中电压和频率的波动均小于传统下垂控制。

6 结 论

(1)根据混合微电网内有功功率的平衡性，设计出了双向功率变换器的VSG控制,为交流子网的频率和直流子网母线的电压提供惯量支持，在系统达到稳态时，直流子网和交流子网都具有下垂特性。

(2)为进一步扩大交流频率的惯性来源，提出了交流子网测微源逆变器的VSG控制，将转动惯量和阻尼系数引入直流子网的下垂方程中，得到了直流子网变流器的类VSG控制。

(3)通过仿真表明，在全虚拟电机控制策略下，直流母线电压和交流频率都获得了良好的惯性，相比于传统双下垂控制，波动范围更小，使交直流混合微电网在孤岛下更加稳定。