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1、電源學會第二十一屆學術年會集基于PR 器的改進型虛擬同步發(fā)電機技術 2， 1， 1， 1， 2（1.四川省電力節(jié)能技術與裝備）（2.西華大學電氣與學院，四川省 成都市 610039）A Improve Virtual Synchronous Generator Base On PR ControllerBO BAI2, JUN WANG1, ZHANG SUN1, YANKUN XIA1, LI2(Sichuan Province Key Laboratory of Power Electronics Energy-saving )(School of Electrical Engineeri

2、ng and Electronic Information, Xihua University, Chengdu,610039 Sichuan Province, )2035ABSTRACT: Virtual synchronous generator(VSG) and virtual synchronous generator of current control(VISMA) are comparison of the mainstream virtual synchronous generator in the word at present. Traditional virtual s

3、ynchronous generator(VSG) is difficult to track active power and reactive power when the frequency or voltage magnitude of the grid fluctuate. The improved virtual synchronous generator(VSG) based on PR controller is proposed for improve VSGs power tracking property. In order to improve its power tr

4、acking properties, so that it can suitable for the grid Better. Meanwhile it can implement a smooth switching from the improved VSG to the traditional VSG, and adapt the rapidly changing of the frequency and voltage in the power grid. The proposed control scheme have been validated in accuracy and f

5、easibility by /Simulink simulation.KEYWORDS: PR controller; virtual synchronous generator(VSG) of voltage control; virtual synchronous generator of current control(VISMA); switch smooth; power tracking property，摘要：電壓型虛擬同步發(fā)電機技術（VSG）和電流控制型虛擬同步發(fā)電機技術是目前國內外比較主流的兩種 虛擬同步發(fā)電機技術。 原有的 VSG 技術對有功功率和無功功率的跟蹤特性較差的問

6、題，本文提出了一種改進型 VSG 技術，通過嵌入 PR 器 原有 VSG 的功率跟蹤特性，以提高其功率跟蹤特性，使其能更適用于并網。同時能實現在特殊情況下由改進的 VSG 平滑的切換到原有的 VSG，以適應頻率、電壓快速變化的電網。所提出的 策略通過 /Simulink 平臺驗證了其正確性和可行性。：PR 器；電壓型虛擬同步發(fā)電機（VSG）；電流型虛擬同步發(fā)電機（VISMA）；平滑切換；功率跟蹤1 引言隨著全球 的飛速發(fā)展，全球范圍內的能源 和環(huán)境問題也日益突出。光伏，風力等新能源發(fā)電得到了快速的發(fā)展。因此分布式發(fā)電技術以及微電網技術得到了國內外的廣泛關注。作為新能源與電網的連接紐帶并網逆變器

7、得到了廣泛的研究，由于逆變器沒有慣性環(huán)節(jié)和必須的阻尼作用，因此并網逆變器響應速度快，幾乎沒有慣性環(huán)節(jié)，這樣就難以給電網提供必要的頻率和電壓支撐。因此根據傳統的同步發(fā)電機的各種等效方程式及其外特性，開發(fā)出了具有阻尼作用和慣性環(huán)節(jié)的虛擬同步發(fā)電機 模型。目前比較主流的虛擬同步發(fā)電機的 模型主要以，德國塔爾大學提出的電流型虛擬同步發(fā)電機（VISMA）技術1-6和英國 學院 教授提出的電壓 型虛擬同步發(fā)電機（VSG）技術7-12為主導。虛擬同步發(fā)電機模擬傳統的同步發(fā)電機的外特性，在逆變器的功率外環(huán)中引入類似于同步發(fā)電機的電壓和頻率調節(jié)特性，并在并網逆變器的算法中加入下垂 策略，同時在并網逆變器的有功和

8、無功功率指令中引入了微電網電壓和頻率的偏差反饋。使得并網逆變器在離并網的模式下能根據微電網的頻率和電壓偏差以及自身的額定容量網內的負荷功率。本文就是在原有的“VSG”技術上加以改進，加入了 PR 調節(jié)器，以 其功率跟蹤特性。2 虛擬同步發(fā)電機的數學模型虛擬同步發(fā)電機的主要作用是將新能源發(fā)的直流電通過逆變器轉換為交流電并入電網。如圖1 所示，它包含 3 個用 脈沖波驅動的 和用來減輕由于開斷造成電壓脈動的 LC 濾波器。y a = Lia - Mib - Mic + Maf ify b = -Mia + Lib - Mic + Mbf i fy c = -Mia - Mib + Lic + Mc

9、f ify f = Maf ia + Mbf ib + Mcf ic + Lf i f其中，Maf、Mbf、Mcf 可以用 Mf 來表示（Mf>0）M af Mbf M cf= M f cos(q )= M f cos(q - 2p / 3)= M f cos(q + 2p / 3)圖 1 虛擬同步發(fā)電機的主電路部分這里， ia 、ib 、ic 是定子電流， if 是定子勵磁電流。將各變量表示為向量可得：根據原有的同步發(fā)電機可以得到虛擬同步發(fā)電機的機械方程可以表示為；æy a öç÷æ ia öç÷y = &

10、#231;y b ÷i = ç ib ÷dJ dw =T -T -T =T -T -D(w-w )（1）çy ÷ç i ÷medme0tè c øè c ø式中：J 是同步發(fā)電機的轉動慣量，kg.m2；w 是同步電機的機械角速度。Tm、Te、Td 分別為同步發(fā)電機的機械、電磁和阻尼轉矩，N.m；D 為阻尼系數，æcos(q)öç÷c osq =çcos(q -2p /3)÷èøçcos(q +2p

11、 /3)÷æsin(q)öç÷s inq =çsin(q -2p / 3)÷èøçsin(q +2p / 3)÷N.m.s/rad。3“VISMA”型虛擬同步發(fā)電機技術由于本結構不帶中線，因此定子磁鏈可被寫成：由圖 1 可以得到“VISMA”虛擬同步發(fā)電機的電磁方程為：y = Ls + M f i f c osq（3）L diabc = e- u- Ri dtabcabcabc（2）其中 Ls=L+M 同時勵磁磁鏈可寫成：y f = Lf i f + M f < i, c osq

12、 >（4）bc式中：L 是同步電機的同步電感；R 是同步電阻； uabc 是虛擬電機的機端電壓。從式（2）可以計算出參考電流，然后與實際采到的電流比較通過 PR 調節(jié)器最終產生 波實現虛擬同步發(fā)電機的控制。因此其具有較 功率跟蹤特性。假設將 R 看成虛擬同步發(fā)電機的內阻，根據圖 1 可以得到如下方程：u = -Ri - L di + e（5）s dt4 VSG 型虛擬同步發(fā)電機技術4.1 電勢部分根據式（3）、（4）可以將e = ea為：e e T 表示“VSG”型虛擬同步發(fā)電機技術，不僅模擬了傳統發(fā)電機的慣性和下垂特性，還模擬了發(fā)電機的e = M f i f ws in q - M f

13、difdtc osq（6）電磁特性。根據發(fā)電機的電磁特性可以推出如下：因為if 是一個定值方程（6）可以改寫為：e = M f i f ws in q（7）4.2 功率部分有功功率和無功功率可以表示為：因為和n 很接近，所以用n 代替。Mfif 由真實無功功率 Q 和設定無功功率 Qset 以及電壓P =< i, ep >Q =< i, eq >下垂環(huán)結果的差值除以 K 然后積分得到。電壓幅值Vm 可以通過鎖相環(huán)（PLL）得到，但是這里通過eq 與ep 的幅值一樣但是eq 在相位上滯后于ep90度：測量的三相電壓計算得到，當三相電壓平衡時 Vm可由下式確定。e = M

14、i ws in(q - p / 2) = - M i w c osqv v + v v + v v = - 3 v 2qf ff fa bb cc a4 m因此可以將有功功率和無功功率改寫為：P = M f if w < i, s in q >Q = -M i w < i, c osq >5 基于 PR 器得改進型 VSG綜合上面兩種虛擬同步發(fā)電機的模型，可以得出：“VSIMA”由于是通過電流比較產生 波，f f由此可以推出 Te 的表：（8）因此能較好地跟蹤設定功率，但是對于電壓和頻率變化的響應較“VSG”弱。而且“VSIMA”難以在Te = P / w = M f

15、i f< i, s in q >（9）弱電網環(huán)境和孤島運行時運用。而“VSG”模型也 一些缺點，主要是其算法沒有解耦，因此可以得出“VSG”的結構框圖如圖 2 所示：圖 2“VSG”結構框圖4.3 參數選擇慣性環(huán)節(jié) Dp 可以表示為：Dp = J /t f當頻率變化時無功功率也會有一定的變化，同時當電壓變化時有功功率也會有一定的變化。因此本文在“VSG”模型中加入了式（2）的結構，見圖 3 所示。求出一個參考電流并進行坐標變換后，與實際電流的坐標變換值比較，通過 PR 調節(jié)器，乘上相應的系數將 d 軸的結果量反饋功功率環(huán)，將 q 軸的結果量返回到無功功率環(huán)。此雖然無法完全解耦，但是

16、能夠在電壓和頻率變化時，對有功和無功功率進行一定的補償；同時能夠較 跟蹤有功和無功的設定值。ft其中，是頻率下垂系數，可以選擇的比實際電機小一些，這樣更有利于電網的 。同時 Dq 可以表示為：Dq =- Q vK 值也可由如下表確定；圖 3 改進的“VSG”拓撲結構t v »KwDq»Kwn Dq6 結果分析本文利用 /Simulink 搭建了模型仿真， 參數設計見表 1 所示。表 1 參數表參數取值參數取值Ls22e-3mHLg0.45e-3mHRs0.135Rg0.135C5.5e-6uF頻率50HzQset0W相電壓381VrmsPset4000W電源700V結果如圖

17、 4、圖 5、圖 6 和圖 7 所示。當電網電壓和頻率取參考值，有功功率設定的值 Pset 取為 4kW 和無功功率設定值 Qset 取為 0W 時，原有的 VSG 與改進 VSG 功率跟蹤比較如圖 4、圖 5 所示。原有VSG有功功率改進VSG有功功率4000有功功率 W3000200010000-10005000電網頻率f=50Hz時有功功率 電網頻率f=49.96Hz時有功功率4000有功功率 W3000200010000-10000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Time t圖 7 電網頻率變化前后改進 VSG 有功功率對比通過對比圖 6、圖 7 可以看出當電網頻

18、率變化時，改進的“VSG”和原有的“VSG”都會調節(jié)自身的有功功率以適應電網頻率的變化。當電網的頻率下降時，可以通過增加有功功率輸出抬高并網頻率，同理當電網的頻率上升時，可以通過減少有功功率輸出降低并網頻率。當電網相電壓由 381 變?yōu)?375 時原有“VSG” 和改進“VSG”無功功率變化如圖 8、圖 9 所示。電網電壓為381V時無功功率電網電壓為375V時無功功率5000無功功率 W400030000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Time t圖 4 原有 VSG 與改進 VSG 有功功率跟蹤比較原有VSG無功功率改進VSG無功功率40002000100000.10

19、.20.30.40.5Time t0.60.70.80.913500無功功率 W3000250020001500100050000.10.20.30.40.50.6Time t0.70.80.915000無功功率 W4000300020001000圖 8 電網電壓變化前后原有 VSG 無功功率對比圖 5 原有 VSG 與改進 VSG 無功功率跟蹤比較根據圖 4、圖 5 可以得出改進的“VSG”比原有的“VSG”更能跟蹤設定的有功功率和無功功率， 改進后得“VSG”擁有更好得功率跟蹤性能。當電網頻率由 50Hz 變?yōu)?49.96Hz 時，原有“VSG”和改進“VSG”有功功率變化如圖 6 所示。

20、電網頻率f=50Hz時有功功率 電網頻率f=49.96Hz時有功功率50004000有功功率 W30002000100000電網電壓為381V時無功功率電網電壓為375V時無功功率0.10.20.30.40.50.60.70.80.91Time t圖 9 電網電壓變化前后改進 VSG 無功功率對比通過對比圖 8、圖 9，可以看出：當電網電壓發(fā)生變化時，改進的“VSG”和原有的“VSG”都能調節(jié)自身的無功功率以適應電網電壓的變化。當電網的電壓下降時，可以通過增加無功功率輸出抬高并網電壓。同理，當電網的電壓上升時，可以通過減少無功功率輸出降低并網電壓。原有的“VSG”和改進的“VSG”的端口電壓和

21、電流如圖 10、圖 11 所示。-10000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Time t圖 6 電網頻率變化前后原有 VSG 有功功率對比400切換電壓 V2004000并網電壓 V200-2000-200-4000.45 0.46 0.47 0.48 0.490.50.51 0.52 0.53 0.54 0.55Time t10-400切換電流 A0.40.41 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.47 0.48 0.490.55Time t100并網電流 A5-50-5-100.40.41 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.47

22、0.48 0.490.5Time t圖 10 原有“VSG”并網電壓電流-100.45 0.46 0.47 0.48 0.490.50.51 0.52 0.53 0.54 0.55Time t圖 14 改進“VSG”和原有“VSG”切換時并網電壓電流的波形圖7 總結400并網電壓 V2000-200-4000.410并網電流 A50-5-100.40.41 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.47 0.48 0.490.5Time t0.41 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.47 0.48 0.490.5Time t圖 11 改進“VSG”并網電壓電流在

23、本文中主要是基于 PR 器對原有的“VSG”進行了改進，改進的特點是能夠更跟蹤設定功率以及功率變化。同時可以實現改進的“VSG”和原有的“VSG”之間的相互切換，以適應個別特殊電網的需求。同時可以從圖看出來，“VSG”技術雖然模擬了傳統發(fā)電機的慣性環(huán)節(jié)和下垂特性。但是它還是沒有實現有功功率和無功功率的完全解耦。表現為當頻率變化時無功功率會有一定的變化，當電壓變化時有功功率也會有一定的反應。因此在解耦方面“VSG” 有很多工作需要努力。同時通過圖 10 和圖 11 可以看出：改進的“VSG”和原有的“VSG”的端口電壓和端口電流是標準的正弦波形并且都十分平滑，能夠達到并網的要求。最后一些在某段時

24、間內電網頻率和電壓跳變十分迅速的情況，改進的“VSG”可以平滑切換到原有的“VSG”。因為原有的“VSG”結構簡單運算量小，對電網的頻率和電壓的變化調節(jié)快， 反應時間短。切換的平滑性見圖 14，圖 14 是在 0.5s 時由改進型“VSG”切換至原有“VSG”的電壓和電流波形圖。由圖可以看出其切換十分平滑，在切換期間電壓電流幾乎沒有任何沖擊和毛刺。因此本結構對于一些處于惡劣環(huán)境的特殊電網也有較好 的適應性。參考文獻1 Qing-Chang Zhong Synchronverters: Inverters That Mimic Synchronous GeneratorsIEEE Tranion

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