摘要：随着社会的发展、时代的进步，电网系统的覆盖范围正不断扩大。分布式微电网因为因地制宜的时效性也在不断建设，因为基于电力电子逆变接口的分布式电源不具备有利于保持系统稳定运行的旋转惯性和阻尼分量，在并网时对电网的稳定性会造成一定影响。虚拟同步发电机控制技术在提高能源系统的稳定性方面发挥着重要作用，可以通过改变分布式逆变器的特性，将其电气功能改变为近似同步发电机。本文提出了虚拟同步发电机控制微电网有功功率和无功电压方面的作用，最后在模拟模型平台上进行了仿真分析以探讨虚拟同步发电机的控制效果。
关键词：虚拟同步发电机；微电网；控制
一、微电网结构
微型网络由能源、控制器、保护装置和储存装置组成，微电网的建设通常是因地制宜，以绿色能源和自然环境保护为前提的，因此能源的提供主要依赖太阳能电池、燃料电池、燃气轮机等。在整个微型电力网络系统中，逆变器是能源最主要的控制元器件，整个微型网络系统的能源稳定和调度都依靠于逆变器的控制能力。而随着分布式电网的微型电力系统技术的发展，传统的逆变器器控制作用已不能再适应微电网的环境和发展需求。本文的重点是通过模拟同步发电机的输出特性，利用逆变器来缩小微型网络和常规网络之间的差距。因此，本文件的重点是模拟同步发电机的输出特性。我们可以利用传统大型电网的能源管理和规划经验，确保微型电网的安全和可靠运作，这是至关重要的，而且微电网中逆变器的外部特性是不同的。
.png)
图1-1微电网结构
(1)同步发电机对于突变电流的抑制效果强，输出阻抗高。
(2)逆变电源的单机容量有限。
(3)同步发电机具有很大的惯性，抗干扰能力强，控制起来更方便。
(4)同步发电机有自同步特性。
(5)同步发电机抗过载性能优越。
从以上比较可以看出，同步发电机在微电网中的应用作用效果更显著，适用性更强。目前，最常用的逆变器应用方法是垂直法，具有调频控制功能，但没有较大的惯性和输出阻抗，不利于并网时的波动稳定。同步发电机的应用可以使性能大大提高，形成一种新的能量控制形式。因此，虚拟同步发电机的概念应运而生，该方案设计可以更全面地模拟了同步发电机的特性，同时综合了逆变器的效用，为电网稳定提供了有效保障。
二、虚拟同步发电机的控制策略
虚拟同步发电机是通过将逆变电源与同步发电机相结合来进行系统控制的。不同于正常的逆变电源，该方案即结合了自身的正相关特点，又保留了同步发电机的控制方法。虚拟同步发电机的控制作用影响因素主要是电压功率和相关变量，这些是由逆变器控制的，所以逆变器的稳定运行对虚拟同步发电机的控制效用有着重要的意义。对于虚拟同步发电机控制系统的设计，要通过逆变器对电压和电流进行控制，统一逆变器和同步发电机的输出效率，使二者的输出特性达到同步协调，具体的控制系统设计可以等同于同步发电机。图2-1为同步发电机的控制结构示意图。
本文根据同步发电机的控制方案，设计了一个虚拟发电机的控制系统，虽然它是和同步发电机控制系统基本一致的，但究其根本还是一个逆变器，并不具备动力系统、调速系统和励磁系统。虚拟同步发电机是通过励磁调节器和功频控制器来实现相关功能的。
.png)
图2-1虚拟同步发电机结构图
.png)
图2-2虚拟同步发电机控制设计
2.1有功频率控制策略
同步发电机的惯性作用使系统中很难出现频率和电流的突变副作用。将虚拟同步发电机惯性带入到逆变电源的系统计算中，得出其有功功率控制方程如下：
.png)
（2-1）
其中，H为惯性的时间常数，P为输入/输出功率，.png)
为角频率，Kd则代表阻尼系数。
当微电网电能并入大电网时，频率完全由大电网决定，不需要逆变电源来调节频率，但是并网对象是一些强度不高的电网时，则需要逆变电源对频率进行调节，使之对该系统的稳定运行提供一定程度的帮助。有功－频率下垂控制环节的存在，构成了频率调整的控制系统环节，即：
.png)
（2-2）
其中，P（ref）为有功功率设定值，D（p）为下垂系数
综合以上两式，得到控制器的传递函数：
.png)
（2-3）
有功和频率的控制图如下：
.png)
图2-3有功-频率控制系统
下垂控制环节提供额外的功率，可以在弱电网发生波动时提供稳定支持作用，阻尼系统可以同步频率。
2.2无功电压控制策略
根据同步发电机的励磁系统，设计虚拟同步电机的逆变电源控制系统。如下所示：
.png)
图2-4无功-电压控制系统
其中，Q（ref）为无功功率设定值，D（q）为下垂系数，T为延迟时间常数，E（g）为电压参考值。K为比例积分系数。综上所述，虚拟同步电机逆变电源的电压计算公式为：
.png)
（2-4）
其中，并网下的无功功率输出大小设为P1，反应能力很快，会造成有功功率的波动，所以要设定时间延迟继电器，使无功功率的输出更为平缓，减少对并网时稳定性的考验。
2.3整体控制策略
为了更好地检验逆变电源的控制方法，不再考虑储能的动态反应特性，而是用一个连续的稳定直流电压源代替。虚拟同步发电机的控制系统运行时，会根据控制器的相关设定，根据以上分析的两种模型进行工作，再根据矢量关系与输出电流的实际值进行比较，将虚拟同步发电机的逆变电源的功率、频率、电压之间确立函数关系，改善并网时的惯性能量，从而进一步降低并网的波动。
三、仿真系统概述
通过MATLAB对虚拟同步发电机的控制系统进行仿真分析。
.png)
图3-1微电网仿真系统结构
在仿真系统中，光电电池通过一个DC-DC控制装置与供应线相连接，在该装置中，光电系统以最大功率跟踪模式运行，并将其释放的电力转移到系统负荷上。蓄电池是通过固定的连续电流、电压来控制的，抑制并网时光伏电压的波动性，并保持系统连续运行时电流母线的电压稳定性，实验中可以在不考虑光学储存系统本身动态反应，把它定义为稳定的电压源。电池和光电阵列通过提供连续电压，在电流母线上蓄积。由虚拟同步发电机控制的逆变器装置和绝缘变压器转变为一种交替的电流系统，由发电机和同步加载装置组成一个简单的微型电网系统。对以下两种情况进行模拟分析：根据上述的同步虚拟发电机的控制系统设计，在并入大电网和弱电网时的相关运行状况。①测试虚拟同步发电机控制的分布式电源的功率动态响应持性。②该微电网系统，发电机独立有载运行，不参与主电网的调控，当并网时电网属于弱电网时，分布式电源在整个微电网系统中的穿透功率水平较高，分析测试系统发生频率波动时虚拟同步发电机控制策略的作用及效果。
设定三者均处于并网模式，实际功率如下：
.png)
图3-2功率对比图
由图可知，在9秒之前，分布式逆变电源的有功功率和无功功率均为2.5kW，然后产生了变化，输出功率增加到4kW，下垂控制下输出的有功功率迅速的上升到设定值，而在虚拟同步发电机控制系统的作用下，有功功率经过一定时间的华冲才上升到指定值，因为将同步发电机的转子运动方程应用在分布式逆变电源的有功控制环，惯性有所增强，所以不会对电网并网时产生较强烈的短暂冲击。此外，下垂控制和虚拟同步发电机控制下，有功功率和无功功率均有不同程度的协调作用，这是因为在这两种控制算法中，调节有功功率时，角频率会发生变化，这样相角会随之变化，电流在直轴和交轴上的参考分量均会发生变化。
结语
本文在了解了微电网的背景、概念和意义的基础上，分析了传统的逆变器控制方法，探讨了逆变电源的运行特点，介绍了基于虚拟同步发电机系统的控制作用，研究发现该控制系统可以较好地满足微电网的运行要求，并通过仿真和实验验证了控制策略的有效性。
参考文献
[1]毛福斌.微网逆变器的虚拟同步发电机控制策略研究[D].2016.
[2]孙戈.分布式电源中的虚拟同步发电机控制策略研究[D].
[3]石荣亮,张兴,刘芳,etal.不平衡与非线性混合负载下的虚拟同步发电机控制策略[J].中国电机工程学报,2016,36(22):6086-6095.
[4]徐湘楚,朱凌,郭本峰.基于虚拟同步发电机的逆变电源控制策略研究[J].电测与仪表,2014,52(2).
[5]王金华,王宇翔,顾云杰,etal.基于虚拟同步发电机控制的并网变流器同步频率谐振机理研究[J].电源学报,2016,v.14;No.64(02):25-31.
论文作者:王响成
论文发表刊物:《电力设备》2019年第20期
论文发表时间:2020/3/16
标签：发电机论文; 电网论文; 逆变器论文; 功率论文; 系统论文; 电压论文; 控制系统论文; 《电力设备》2019年第20期论文;