基于虚拟同步发电机的光伏并网逆变器控制策略朱更辉;陈国振;韩耀飞【摘要】Aiming at the problem that the photovoltaic grid-connected inverter in conventional constant power control mode lacks the dynamic adjustment ability of voltage and frequency, a control strategy of photovoltaic grid-connected inverter based on virtual synchronous generator (VSG) was proposed.According to the principle of synchronous generator, the grid-connected equivalent circuit and vector relation expression of synchronous generator were established, the active frequency control algorithm and reactive voltage control algorithm were designed, and the photovoltaic power generation system based on the control strategy of VSG was established.The 10kW photovoltaic grid-connected system was established in Matlab/simulink environment.The simulated results show that the photovoltaic grid-connected inverter based on VSG has the similar frequency and voltage regulation characteristics with the synchronous generator, and can well adapt the requirements of grid operation.%针对采用常规恒功率控制方式下的光伏并网逆变器缺乏电压和频率动态调节能力的问题,提出一种基于虚拟同步发电机(VSG)的光伏并网逆变器控制策略.根据同步发电机的原理,建立同步发电机的并网等效电路和矢量关系表达式,设计了有功频率控制算法和无功电压控制算法,搭建了虚拟同步发电机控制策略下的光伏发电系统.在Matlab/simulink环境中建立了10kW的光伏并网系统.仿真结果表明,基于虚拟同步发电机的光伏并网逆变器具有与同步发电机相似的调频调压特性,能够较好地适应电网运行要求.【期刊名称】《沈阳工业大学学报》【年(卷),期】2017(039)004【总页数】5页(P366-370)【关键词】光伏逆变器;虚拟同步发电机;等效电路;矢量关系;有功频率;无功电压;调频;调压【作者】朱更辉;陈国振;韩耀飞【作者单位】河南城建学院电气与控制工程学院,河南平顶山 467000;河南城建学院电气与控制工程学院,河南平顶山 467000;河南城建学院电气与控制工程学院,河南平顶山 467000【正文语种】中文【中图分类】TM615随着能源危机的不断加剧，以太阳能和风能为代表的可再生能源得到了越来越广泛的关注，其中太阳能因具有绿色环保、资源丰富等优点，成为了新能源发电的一种重要利用形式.然而，光伏并网发电系统与传统火电机组发电相比具有较大的差异，光伏逆变器是由大量电力电子元件组成，虽然具有较快的响应速度和灵活的调节能力，但缺乏发电机组的固有惯性环节，其大规模接纳会带来很多问题，输出功率的随机波动会引起电压频率的不稳定，情况严重时会引起大规模光伏发电的连锁脱网，为电力系统的安全稳定运行带来较大的隐患[1-2].针对如何提高光伏发电系统的电压频率调节性能以增强电网对其接纳能力的问题，国内外学者开展了广泛研究.文献[3]提出一种基于最小阶观测器的频率控制策略，该策略可自动分担负荷以达到同步发电机惯性的目的，但会引起复杂的电网动态特性；文献[4-5]提出了一种无功功率闭环控制策略，在很大程度上避免了无功环路引起的功率振荡问题，但同时也存在复杂动态特性的问题；文献[6-7]根据同步发电机的功率分摊特性，提出了有功频率和无功电压的下垂控制策略，使并网逆变器无需通信即可实现输出功率的调节，但是该策略没有考虑转子惯性的特性，不具备发电机惯性和阻尼特性.为完全模拟同步发电机的运行特性，虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)的基本概念被提出[8-9]，其基本思想是根据同步发电机基本控制理论，将逆变器的控制策略加以改进，使其可模拟同步发电机的输出调节特性.本文根据同步发电机的转子运动方程和磁链方程来设计改进光伏并网逆变器的控制环路，使其具备主动调频调压能力，以模拟同步发电机的一次调频和励磁调压特性.在Matlab/simulink环境中建立基于虚拟同步发电机的光伏发电系统，验证了控制策略的有效性.同步发电机是电力系统的重要组成部分，为电网提供了大量的惯性环节.若将同步发电机的这种惯性特点应用到光伏并网逆变器的控制方法中，需了解同步发电机的基本原理，为适应大多场合的分析，一般将同步发电机的数学模型进行简化分析.在光伏并网逆变器的控制策略当中，主要模拟同步发电机的有功频率和无功电压调节特性.首先分析同步发电机的矢量关系，其并网等效电路及电压电流向量关系如图1和图2所示.图1中Us为同步发电机的等效内部电动势，R、L分别为同步发电机并网等效电阻及电感，Ug为并网电压，Ig为同步发电机输出电流.图2中φ为同步发电机与电网之间的相位角，X为电抗，同时假设电网电压方向与d轴同方向，q 轴与d轴垂直.将电压和电流信号分别分解到dq轴上，可以求出并网输出电流在dq轴上的数学表达式为式中：Y为导纳矩阵；Usd、Usq为同步发电机内电势的直轴分量；Ugd、Ugq为电网电压的直轴分量.相应表达式分别为相位角φ可表示为发电机转子角速度ω与电网系统角速度ωg差的积分，即在实际同步机发电系统中转子的角速度ω一般是由调速器决定的，与有功和角频率有关；而内部的电动势一般是由励磁调节系统决定的，与无功和电压有关.因此，可根据同步发电机的运动方程，将调速器一次调频模型和励磁调压模型特性模拟到光伏逆变器的控制电路中，从而使光伏逆变器具有与同步发电机相一致的响应特性. 由上述分析可知，光伏并网逆变器在模拟同步发电机控制时，应构造有功频率和无功电压两个控制器.其中，有功频率控制器主要反应的是同步发电机的机械惯性以及阻尼特征，无功电压控制器则模拟的是同步发电机的电压调节特性.2.1 有功频率控制算法在常规电力系统中同步发电机具有一定的惯性，频率不会发生突变，根据同步发电机的转子运动方程[10]，在光伏并网逆变器控制电路中引入虚拟惯性控制来模拟同步发电机的转子运动方程，其功率和频率控制方程为式中：H为虚拟惯量常数，与同步发电机的转动惯量J相对应[10]；Pi和Po为光伏逆变器的输入和输出功率；Kd为阻尼系数.为增强光伏并网逆变器的调频能力，使其在负荷波动时能提供一定的频率支撑，提出一种有功频率下垂控制器，其表达式模型为式中：Pref为有功参考值；Dp为有功功率的下垂系数.根据式(5)和式(6)可求得光伏并网逆变器的调速器模型，其有功功率与频率的传递函数为有功功率与频率控制框图如图3所示.由图3可以看出，当频率发生微小波动时，系统可保持转子运动特性，且可提供附加的功率以减小系统的频率波动，从而实现系统频率支撑功能.阻尼模块可使逆变器频率与电网频率保持一致.2.2 无功电压控制算法采用相同的方法，根据同步发电机的励磁调节系统[10]，设计光伏并网逆变器的无功功率和电压控制算法，结果如图4所示.图4中Qref为无功参考值，Qo为无功功率输出值，Dq为无功功率的下垂系数，Ta为延迟时间常数，Eset为光伏逆变器端电压参考值，Eg为无功控制环的输出信号，kp1和ki1为无功环的比例、积分系数.由图4可求得光伏并网逆变器的参考电压表达式为PI控制器控制无功功率的输出大小，而延时环节则可防止无功波动太快而带来的不利影响，减小特定条件下的系统冲击.2.3 整体控制算法基于虚拟同步发电机的光伏并网控制策略框图如图5所示.为了更好地研究光伏逆变器的VSG控制算法，忽略了储能的动态响应，在惯性调节期间，可通过设置储能的输出来保证逆变器的输出功率与输入功率是不相等的.图5中Ud为直流侧电压，Iabc为并网逆变器输出三相电流，Uabc为LC滤波器电容电压.当光伏并网逆变器工作在虚拟同步发电模式时，控制系统会根据有功功率和无功功率的参考值，经有功频率和无功电压控制算法后分别输出角频率和电压参考值，再根据同步发电机的矢量关系表达式求出其在dq坐标轴下的电流，最后通过与实际值比较之后生成PWM信号来驱动开关.在这种工作模式下，光伏并网逆变器具备了虚拟的转动惯量，增加了并网系统的旋转惯量，改善了并网系统的电压频率调节特性.为了验证本文所提虚拟同步发电机控制策略的有效性，在Matlab/simulink软件上搭建了虚拟同步发电机控制下的光伏并网发电系统.系统参数为：额定功率PN=10 kW，Ug=380 V，逆变器直流电压Ud=800 V，直流侧电容C=8 000 μF，逆变器滤波参数L1=4 mH，L2=0.5 mH，C0=15 μF，电阻R=0.01 Ω，开关频率f=2 000 Hz，H=1/3 000，Dp=16.2，Dq=545.电网稳定运行时虚拟同步光伏逆变器并网仿真结果如图6～8所示，1 s时有功指令由0 W增加至10 000 W，3 s时无功指令由0 Var增加至2 000 Var.从仿真结果可以看出，虚拟同步发电机能够快速精确地跟踪指令值，并维持在稳定运行状态. 电网电压及频率波动时虚拟同步光伏逆变器并网仿真结果如图9～10所示.图9为当2 s时电网电压跌落5%时的并网逆变器输出有功功率和无功功率.由图9可知，并网逆变器的输出无功功率快速跟踪电压的变化，有功功率不变.图10为当2 s时电网频率跃升0.2 Hz时并网逆变器输出有功功率和无功功率.由图10可知，并网逆变器的输出有功功率快速跟踪频率的变化，无功功率不变.因此该系统具有同步发电机的暂态调节特性，其控制器能够有效模拟同步机特性.本文分析了虚拟同步发电机的基本原理和并网等效矢量关系图，根据同步发电机的调速器和励磁调压特性，设计了光伏并网逆变器的虚拟同步发电机控制算法，并在Matlab/simulink环境中搭建了仿真模型，对提出的控制算法进行了验证.仿真结果表明，并网逆变器输出电压和频率能够通过无功电压控制环和有功频率控制环直接调节，结合同步发电机转子运动方程，使并网逆变器较好地模拟了同步发电机的惯性响应能力.提出的控制策略能够提高并网系统的电压频率调节能力，有利于系统的稳定运行.【相关文献】[1]陈炜，艾欣，吴涛，等.光伏并网发电系统对电网的影响研究综述 [J].电力自动化设备，2013，33(2)：26-32.(CHEN Wei，AI Xin，WU Tao，et al.Influence of grid-connected photovoltaic system on power network [J].Electric Power Automation Equipment，2013，33(2)：26-32.)[2]王湘明，张玮玮，王卫鑫.并网逆变器功率和合成谐波阻抗联合控制策略 [J].沈阳工业大学学报，2016，38(2)：127-132.(WANG Xiang-ming，ZHANG Wei-wei，WANG bined control strategy of power and synthetic harmonic impedance for grid connected inverter [J].Journal of Shenyang University of Technology，2016，38(2)：127-132.)[3]Tomonobu S，Manoj D，Atsushi Y，et al.A control method for small utility connected large PV system to reduce frequency deviation using a minimal-order observer [J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2009，24(2)：520-528.[4]Toshinobu S，Yushi M，Toshifumi I.Reactive power control for load sharing with virtual synchronous gene-rator control [C]//IEEE Power Electronics and Motion Control Conference.Harbin，China，2012：846-853.[5]Toshinobu S，Yushi M，Toshifumi I.Oscillation damping of a distributed generator using a virtual synchronous generator [J].IEEE Transactions on Power Delivery，2014，29(2)：668-676.[6]姚骏，杜红彪，周特，等.微网逆变器并联运行的改进下垂控制策略[J].电网技术，2015，39(4)：932-938.(YAO Jun，DU Hong-biao，ZHOU Te，et al.Improved droop control strategy for inverters parallel operation in micro-grid [J].Power System Technology，2015，39(4)：932-938.) [7]杨俊虎，韩肖清，曹增杰，等.基于逆变器下垂控制的微电网动态性能分析 [J].南方电网技术，2012，6(4)：48-52.(YANG Jun-hu，HAN Xiao-qing，CAO Zeng-jie，et al.Analysis on the dynamic performance of microgrid based on droop control of inverters [J].Southern Power System Technology，2012，6(4)：48-52.)[8]郑天文，陈来军，陈天一，等.虚拟同步发电机技术及展望[J].电力系统自动化，2015，39(21)：165-175.(ZHENG Tian-wen，CHEN Lai-jun，CHEN Tian-yi，et al.Review and prospect of virtual synchronous gene-rator technologies [J].Automation of Electric Power System，2015，39(21)：165-175.)[9]曾正，李辉，冉立.交流微电网逆变器控制策略述评 [J].电力系统自动化，2016，40(9)：142-151.(ZENG Zheng，LI Hui，RAN parison on control strategies of inverters in AC microgrids [J].Automation of Electric Power System，2016，40(9)：142-151.)[10]王晓东.电力系统中同步发电机摇摆振荡的非线性动力学特性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.(WANG Xiao-dong.Research on nonlinear dynamic characteristics of swing oscillation of synchronous generator in power system [D].Harbin：Harbin Institute of Technology，2015.)。
虚拟同步机标准虚拟同步机（Virtual Synchronous Machine，简称VSM）是一种基于虚拟同步机控制策略的新型电力电子装置，用于实现分布式电源与电网的电力交互。
它可以模拟传统的同步发电机（Synchronous Generator，简称SG），实现与传统电力系统的互操作性，实现电流、电压以及频率等特性的调控。
本文将介绍虚拟同步机的基本原理、应用场景、优势和参考项目。
一、虚拟同步机的基本原理虚拟同步机的基本原理是模拟传统同步发电机的运行特性，在电力系统中发挥类似于同步发电机的角色。
它通过控制电压和频率来实现与电网的同步运行，并能够提供无功功率支撑和电压稳定控制等功能。
虚拟同步机通过在线测量系统频率、电压和电流等参数，并通过控制策略实时调整自身的输出特性，以满足功率平衡、电压稳定等要求。
二、虚拟同步机的应用场景1. 分布式电力系统：随着分布式能源的快速发展，虚拟同步机可以实现分布式电源与电网的有机连接，保证电力系统的可靠运行和稳定供电。
2. 微电网系统：虚拟同步机可作为微电网系统的核心设备，实现不同能源、不同负荷和电网的协调运行，提高微电网的可靠性和经济性。
3. 电力电子转换系统：虚拟同步机可以应用于电力电子变换系统中，实现系统的同步运行、无功支撑、电压稳定等功能。
三、虚拟同步机的优势1. 灵活性：虚拟同步机可以根据电力系统的实际需求进行灵活配置和控制，满足不同应用场景的要求。
2. 抗扰度强：虚拟同步机采用了先进的控制算法和自适应控制策略，能够有效抵抗电网扰动和故障，提高系统的鲁棒性和稳定性。
3. 可扩展性：虚拟同步机可以与传统的同步发电机和其他虚拟同步机进行联动，形成多机协作控制，实现更大规模的电力系统运行。
四、虚拟同步机的参考项目1. 虚拟同步机控制器开发及应用研究：该项目旨在研究虚拟同步机的控制策略和算法，并开发相应的控制器，实现虚拟同步机在分布式电力系统和微电网系统中的应用。
基于虚拟同步发电机的三相四桥臂微网逆变器控制技术研究微网是能源的一个重要载体,通过微网可以实现对不同区域的快速实地供电。
但是随着科学技术的飞速发展,微电网中的电力电子器件的数量日趋增多,这就导致了微电网的抵抗外界干扰和动态响应的能力变差。
而虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generators,VSG)技术能够模拟同步发电机(Synchronous Generator,SG)的外特性,能够给微电网提供足够阻尼支持和惯性支撑,从而来有效地解决微电网稳定运行的问题。
本文针对基于VSG的微网逆变器在不平衡负载下的运行控制方法进行了研究。
首先,借助传统SG的数学模型以及其所具有的一次调频和一次调压特性,推导出了VSG的有功调频控制环以及无功调压控制环。
其次,针对传统逆变器带不对称和非线性负荷能力差,提出了一种基于三相四桥臂逆变器的改进分序控制方法,使用双旋转坐标系技术对逆变器输出的耦合的正负序电压进解耦分离,实现了正负序电压的独立控制;同时针对独立的零序电压,设计了一种虚拟构造αβ坐标系的技术,实现了对零序电压更加有效的控制。
然后,为了能够使得逆变器在带不平衡负载的情况下实现离并网平滑切换,提出了一种基于三相四桥臂逆变器的VSG离并网双模式切换控制方法,该控制方法能够实现离并网模式切换时无需改变控制算法;为了能够提升VSG在系统不对称情况下的运行性能,提出了基于序网络模型的VSG控制算法,通过结合预同步控制使得逆变器带不平衡负载并网时的冲击电流变小,同时在此基础上加入电压电流双闭环控制来提升系统的动态性能。
最后,通过MATLAB/simulink对所提出的控制算法进行了验证,并搭建了基于VSG控制的逆变器实验控制平台,对VSG算法进行了初步的实验验证。
《基于虚拟阻抗法的微电网逆变器控制策略》篇一一、引言随着能源结构转型的深入，微电网作为一种灵活、智能的能源管理系统，越来越受到人们的关注。
微电网中的逆变器作为连接分布式电源与电网的关键设备，其控制策略的优劣直接影响到微电网的运行性能和稳定性。
虚拟阻抗法作为一种新兴的逆变器控制技术，通过模拟阻抗特性，有效改善了逆变器的输出特性，提高了系统的稳定性和可靠性。
本文将重点探讨基于虚拟阻抗法的微电网逆变器控制策略。
二、微电网逆变器概述微电网逆变器是微电网中分布式电源与电网之间的桥梁，其核心作用是将直流电源转化为交流电源，为微电网提供稳定的电能。
逆变器的控制策略直接影响着微电网的运行性能和稳定性。
传统的逆变器控制策略主要依靠硬件阻抗来稳定系统，但随着分布式电源的增多和微电网规模的扩大，传统方法已难以满足系统稳定性的需求。
因此，研究新的逆变器控制策略具有重要意义。
三、虚拟阻抗法原理及优势虚拟阻抗法是一种通过模拟阻抗特性的方法来控制逆变器的技术。
它通过在逆变器的控制策略中引入虚拟阻抗，使逆变器具有类似实际阻抗的输出特性。
与传统方法相比，虚拟阻抗法具有以下优势：1. 灵活性高：虚拟阻抗可以根据系统需求进行动态调整，适应不同场景下的运行要求。
2. 改善输出特性：虚拟阻抗可以改善逆变器的输出特性，减小谐波失真，提高电能质量。
3. 提高系统稳定性：通过模拟阻抗特性，虚拟阻抗法可以有效提高系统的稳定性，降低系统故障的风险。
四、基于虚拟阻抗法的微电网逆变器控制策略基于虚拟阻抗法的微电网逆变器控制策略主要包括以下步骤：1. 确定系统需求和目标：根据微电网的运行需求和目标，确定逆变器的控制策略和虚拟阻抗的参数。
2. 设计虚拟阻抗环节：在逆变器的控制策略中引入虚拟阻抗环节，模拟实际阻抗的输出特性。
3. 实时调整虚拟阻抗：根据系统运行状态和需求，实时调整虚拟阻抗的参数，以适应不同场景下的运行要求。
4. 优化控制策略：根据系统运行结果和性能评估，对控制策略进行优化，以提高系统的稳定性和性能。
