（1. 国网山西省电力公司检修分公司山西省 太原市 030000;2. 国网山西省电力公司吕梁供电公司 山西省吕梁市 033000;3. 华北电力大学 河北省分布式储能与微网重点实验室 河北省保定市 071003）
摘要：本文针对虚拟同步发电机(VSG)技术及其在低压微电网微源逆变器并联系统中的应用，提出了改进虚拟电阻补偿的 VSG控制策略。首先根据低压微电网馈线阻抗的特点及其对下垂控制逆变器的功率调节的影响，建立了微源逆变器与馈线组合等效同步发电机的改进VSG模型。然后，在传统VSG控制策略的基础上，通过对逆变器传输的功率进行虚拟坐标变换来实现功率的解耦；在考虑多微源逆变器馈线支路阻抗差异的基础上，通过加入虚拟电阻来实现逆变器并联运行时负载功率的精确分配与环流抑制。最后，本文对虚拟电阻补偿的改进VSG控制进行了仿真分析，仿真结果验证了所提控制策略的准确性和有效性。
关键词：低压微电网；馈线阻抗；虚拟电阻；虚拟坐标变换；功率分配
Research of the VSG Control Strategy With Virtual Resistance Compensation Considering Effects of Feeder Impedance
Wen Chunxue, Jia Jiaoxin, Li Zhengxi, Chen Xiaodong
North China University of Technology
Email: wcx@ncut.edu.cn, jiajx33@163.com
Abstract: In this paper, the improved virtual synchronous generator (VSG) control strategy with virtual resistance compensation used in low voltage micro grid inverters parallel system is proposed. Firstly, according to LV micro grid feeders impedance characteristics and the effect of power regulation of the inverter power droop control, the improved equivalent VSG model combined micro source inverter with feeder is established. Then, the virtual coordinate transformation for inverters power is used to realize the power decoupling based on traditional VSG control strategy; the virtual resistors considering multi micro source inverter feeder impedance differences are added in control strategy to realize the load power of precise assignment for parallel inverters system. Finally, simulation analysis of the improved VSG control with virtual resistance compensation is carried out. The simulation results verify the accuracy and effectiveness of the improved VSG control strategy.
Keywords: low voltage micro grid; feeder impedance; virtual resistor; virtual coordinate transformation; power assignment
1 引言
下垂控制通过模拟同步发电机的电压幅值与频率调节特性，根据输出功率的变化，控制电压源逆变器输出的电压幅值与频率。其优点包括：即插即用，为微电网提供频率和电压支撑功能，可实现无通信时并联运行的各微源逆变器输出功率自动分配，并且在并离网模式下通用。然而，传统下垂控制在并联运行的微源逆变器馈线阻抗不匹配时，无法实现功率的精确分配。
为实现逆变器并联运行时的功率精确分配，主要的控制方法有虚拟阻抗法[1-2]、下垂系数调整法[3]、同步信号法等[4]。上述方法的适用前提和传统下垂控制相同，即通过加入虚拟阻抗或调节逆变器电压环控制器参数，使逆变器的传输阻抗(包括逆变器等效输出阻抗和馈线阻抗)始终呈感性或阻性，并忽略馈线阻抗的影响。
在低压微电网中，线路阻抗偏阻性，当微源逆变器的馈线中同时包括隔离变压器和线路时，馈线阻抗的阻性分量和感性分量相当。此种情况下，为使逆变器的传输阻抗呈感性或阻性，将需要加入很大的虚拟电感或虚拟电阻，而虚拟阻抗过大会造成并联运行系统的不稳定。因此，传统下垂控制在低压微电网中的应用具有一定局限性。
考虑逆变器的传输阻抗呈阻感性，文献[4]提出了一种改进的无功功率精确分配下垂控制策略，该策略以交流母线电压偏差信号作为公共控制信号，可以实现逆变器并联运行的功率精确分配，但在馈线阻抗特性差异较大或负载功率因数变化较大时，该控制策略将不能够稳定工作；文献[5]通过对逆变器输出功率进行虚拟坐标变换，实现了逆变器馈线阻抗呈阻感性时的下垂控制，但只适用于馈线阻抗具有相同阻抗角的情况；文献[6]采用虚拟阻抗法将逆变器传输阻抗角设计成45°在此基础上设计了下垂控制策略，可以实现并联系统的稳定运行并减小系统环流。
与传统下垂控制相比，基于虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)技术的逆变器控制策略能够模拟同步发电机的外特性，有效解决系统欠阻尼、低惯性的问题[7]。文献[8-11]对VSG控制策略进行了研究，所提的VSG控制策略均将逆变器传输阻抗等效为感性，因此，该技术应用于低压微电网时，存在与传统下垂控制同样的局限性。
为使VSG技术更广泛地应用于低压微电网，本文将微源逆变器与馈线的组合在物理上等效为同步发电机，并据此提出一种改进的虚拟同步发电机控制策略。该策略在现有的VSG控制策略基础上，通过对逆变器输出功率进行虚拟坐标变换，并在考虑馈线支路阻抗差异的基础上，加入虚拟电阻补偿，实现了不同馈线阻抗下并联系统的稳定运行以及各微源逆变器功率的精确分配和无环流输出。
2 改进的VSG等效模型
改进的VSG等效模型如图1所示，物理上的等效关系为：将分布式电源与储能系统等效为原动机，逆变电路、LC滤波器和馈线阻抗等效为发电机，其中馈线阻抗包括隔离变压器漏感、线路阻抗；逆变器输出电压即滤波电容电压等效为发电机的内电势，微电网母线电压等效为发电机的输出端电压，馈线电感等效为发电机的同步电感，馈线电阻等效为发电机的电枢电阻。该等效方式需通信采集交流母线电压的幅值和相位作为微源逆变器本地的控制信号。
图1中：eiabc为逆变器桥臂中点电压的基波，uioabc为逆变器输出端电压(同时也是改进VSG的内电势)，iioabc为逆变器输出端电流，upccabc为公共交流母线电压(同时也是改进VSG的机端电压)，Uio为逆变器输出端电压的线电压有效值，i为逆变器输出端电压的相
图1 改进的VSG并联到无穷大系统等效模型
位角(同时也是改进VSG的相位或功角)，uivabc为加入虚拟电阻Riv补偿后改进VSG的等效三相内电势，Lg为与交流母线相接的电网的等效电感，Pi、Qi为逆变器实际传输到交流母线的有功和无功功率(同时也是改进VSG的输出有功和无功功率)；L、R分别为同步发电机的同步电感和电枢电阻。
该等效方式下，改进的VSG通过调节内电势uio的频率和幅值来调节输出的功率Pi、Qi，这就使得设计VSG功率环时仅需考虑馈线阻抗的阻感性，而设计电压电流双环时仅需考虑LC滤波的影响。因此，VSG功率环和电压电流双环的设计可以相对独立地进行。
3 VSG控制策略
3.1 虚拟坐标变换下垂控制
在馈线阻抗Zi(Zi=Ri+jXi)呈阻感性，即Ri和Xi相差不大时，可以采用虚拟坐标变换下垂控制[5]。虚拟坐标变换及其系数矩阵如式(1)和(2)所示。
虚拟坐标变换下垂控制可实现逆变器传输的有功和无功功率的解耦控制。但在多台逆变器并联运行时，为保证功率的精确分配，馈线阻抗需满足阻抗角相同且幅值与所连接逆变器容量成反比。
3.2 虚拟电阻控制
对于馈线仅包含线路的情况，考虑低压微电网采用统一的线型，则馈线阻抗的i相同、幅值大小不同，通过虚拟坐标变换，各台改进的VSG可实现功率的精确分配。对于部分馈线包含隔离变压器的情况，可将变压器从逆变器的LC滤波输出侧转接到桥臂侧，使变压器与滤波电感集成在一起，这种转移并不会影响电能的变换和输送。变压器转接后，馈线仅包含线路，通过虚拟坐标变换可实现功率的精确分配。
在多台改进的VSG并联系统中，若不改变变压器的接入位置，可以通过虚拟电阻补偿的方法实现功率的精确分配控制。如图1所示，本文的虚拟电阻补偿方法可以等效为在馈线中串联了电阻，目的是使得等效馈线阻抗具有相同的阻抗角并提供有源阻尼，进而可以实现功率的精确分配与环流抑制。
等效馈线阻抗角可以根据系统对有源阻尼的要求灵活设置，设定各台改进的VSG具有相同的等效馈线阻抗角n，则虚拟电阻阻值为：
Upcc，然后再作为无功环的一次调压给定信号，通信延时不影响电压和功率的调节。因此，改进VSG的稳定运行对通信的快速性要求不高。
4 仿真结果与分析
基于Matlab/Simulink搭建包括两台改进的VSG和三个负载的仿真模型。三个负载(load1、load2、load3)的功率分别为：3kW；6kW ；3kW/3kvar。为验证本文控制策略的有效性，馈线阻抗Z1、Z2分别设置为偏阻性、偏感性，仿真参数如表1所示。仿真设置为：初始时刻load1和load2投入运行，0.2s时刻load3投入，0.4s时刻load2切出，0.6s时刻load2再次切入，0.8s时刻load3切出。
由图3a可知，在负载突增、突减和负载功率因数变化时，所提控制策略可以实现交流母线电压的稳定控制，电压的动态过程持续时间均为4个周波；在负载突增的动态过程中(0.2s和0.6s处)，三相电压有效值平滑过渡到新的稳定值；在负载突减的动态过程中(0.4s和0.8s处)，三相电压有效值分别经不同的波动也过渡到新的稳定值；在0.4s处的电压幅值波动较大，但仍在标准要求范围内。
由图3b可知，两台改进的VSG可以快速地实现同步，频率调节的动态过程持续时间为0.1s，动态过程中系统频率基本为平滑过渡，无超调量和振荡，因而改进的VSG可以有效地模拟同步发电机的惯性和阻尼特性。
图3c为采用瞬时功率方法得到的两台改进VSG输出的有功和无功功率，可知改进VSG输出功率的变化也具有一定惯性。此外，在VSG虚拟电阻补偿控制下，并联系统进入稳态运行时两台改进VSG的输出有功和无功功率严格按照容量进行分配，并联系统无基波环流。
最后，由图3可得，在负载有功功率变化时(0.4s和0.6s处)，微电网的频率和电压幅值均会改变，这表明功率和电压频率、幅值的调节存在耦合，进而表明本文控制策略中功率虚拟坐标变换的必要性和有效性。
5 结语
本文针对虚拟同步发电机技术及其在低压微电网微源逆变器并联系统中的应用进行了研究，考虑馈线阻抗的影响，提出了改进虚拟电阻补偿的 VSG控制策略，最后通过仿真验证了所提控制策略的准确性和有效性。所提的改进VSG等效模型和控制策略具有以下特点：
1)等效模型中加入馈线，馈线电感等效发电机的同步电感，馈线电阻等效发电机的电枢电阻。
2)该控制策略虽然需通信采集交流母线电压的幅值和相位来计算馈线阻抗，进而计算出实时的母线电压幅值和改进VSG的输出功率作为微源逆变器本地的控制信号。但其对通信快速性要求不高，并且通过计算来获取馈线阻抗避免了馈线阻抗测量困难的缺点，同时使得无功的精确分配易于实现。
3)该控制策略通过对改进VSG的输出功率进行虚拟坐标变换来实现功率的解耦；通过虚拟电阻补偿使得等效馈线阻抗具有相同的阻抗角，并且等效馈线阻抗角可以根据系统对阻尼的要求灵活设置。这两点改进可以保证馈线阻抗差异下并联系统的稳定运行以及各微源逆变器之间无环流输出。
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作者简介：
闫斌斌（1990-），男，助理工程师，主要从事变电检修一次设备的检修与维护。
杨书贵（1990-），男，助理工程师，主要从事变电检修一次设备的检修与维护。
贾焦心(1991—)，男，博士研究生，研究方向为微网运行及接口变换器控制，(通信作者)；
论文作者:闫斌斌,杨书贵,贾焦心
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/14
标签：阻抗论文; 逆变器论文; 馈线论文; 功率论文; 发电机论文; 电压论文; 电阻论文; 《电力设备》2017年第29期论文;