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虚拟同步发电机的相角控制方法

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电力工程技术2017 年 1 月 Electric Power Engineering Technology 第 36 卷第 1 期 43

虚拟同步发电机的相角控制方法李旭，丁勇，李勇，刘为群(南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211102)

摘要：虚拟同步发电机技术利用电力电子变换器模拟同步发电机的特性，使变流器具有同步发电机一次调频、一

次调压、阻尼及惯性等特性，增强了变流器对电网电压及频率的支撑作用，提高了电网接入的友好性。提出一种利 用常规锁相环校正虚拟同步发电机频率和相位的方法，在启动并网及强扰动过程中校正频率和相位的不合理偏 移，减小了上述工况下的振荡及失控风险，并通过实验验证了方法的可行性。关键词：虚拟同步发电机;VSG;相角控制；相位;频率;预同步

中图分类号:TM46 文献标志码：A 文章编号:2096-3203 (2017) 01-0043-04

传统的并网变流器控制方式往往采用简单成 熟的有功、无功解耦电流控制，该方法可以实现快 速准确的功率控制,但不具备惯性、阻尼等特性，且 该控制方式不支持在离网模式下运行。虚拟同步 发电机（VSG)技术利用电力电子变换器模拟同步 发电机的特性，使变流器具有同步发电机一次调 频、一次调压、阻尼及惯性等特性，增强了变流器对 电网电压及频率的支撑作用，提高了电网接人的友 好性，逐渐成为研究热点[1-4]。虚拟同步发电机的相位和角频率通过发电机 的运动方程得到[5’6]。但并网启动时，由于并网解 锁时刻之前虚拟同机发电机无法通过摇摆方程与 电网同步，直接并网时会因为与电网间的相位差造 成的严重电流冲击；同时，虚拟同步发电机并网运 行过程中，当受到较大的扰动时可能出现频率和相 位偏离严重的情况,造成系统失去控制。本文提出通过相角调节器，利用常规锁相环 (PLL)对虚拟同步发电机的相位及角频率进行预同 步和在线校正，以减少并网冲击实现平滑启动，并 提高系统的抗扰动能力。

1虚拟同步发电机控制技术1.1并网变流器的电路结构图1所示为最常见的三相并网变流器电路，直 流侧£,1(.可以为恒压源或储能电池等；C,1(.为直流支 撑电容;、，〜，〜.为经PWM生成的电压;i和C分 别为交流滤波电抗器和电容;w〇a，M〇h，M〇(.为经滤波之 后的变流器输出端电压;公共连接点（PCC)为变流器 并网点;ig为电网侧的电感；Mga，Mgh，Mg(.为电网电压。

收稿日期：2016-10-20;修回日期：2016-11-22 基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目 (2015AA050101)

图1并网变流器电路拓扑 1.2虚拟同步发电机技术

根据需要分别对同步发电机的一次调压、一次 调频、惯性等特性进行模拟。假定线路为感性，容 性无功为正无功，一次调压、一次调频通过下垂控 制实现[7-9]，如图2所示。

图2有功-频率和无功-电压下垂曲线Pm =P,t +^P(«g -«) (1)Uref =Ug + ^q( Qset ~ Q„) (2)同步发电机的简化运动方程为：Pm - P〇 = /df (3)将式（1)代人式（3)，得转子运动方程（摇摆方 程) 为：PSet + ^p(wg - ^) - P〇 = J(°dw /df (4)d^ /dt = w (5)

其中Pset为有功设定;P〇为实际有功输出；Pm为机 械功率;为频率有功下垂系数;Qset为无功设定; Q〇为实际无功输出;为无功电压下垂系数;^，.为电力工程技术输出电压参考值；％为电网额定电压;0为电角度 (相位）冲为电角速度;％为电网额定电角速度。由式(4)可知，参数设定完成后,转子运动方程 中只有~为未知变量，从而可求得电角速度~，进一 步对~积分即可得到系统的相位0。在勿旋转坐标系下，变流器输出电压参考值的 d,g轴分量可表示为：（6)u* = 〇 (7)根据式(2) (4) (5) (6) (7)，将同步发电机的特 性代人变流器控制中形成虚拟同步发电机的电压 控制目标以及频率和相位,如下图3所示。

图3虚拟同步发电机控制目标生成通过电压外环、电流内环实现上述目标的控 制，以增加系统的控制精度并限制过流，便可最终 生成PWM的参考值，如图4所示。

相，并将其输出的相位和频率作为虚拟同步发电机 的相位及角频率的参考，在虚拟同步发电机的输出 相位和频率发生较大偏离时，对其进行校正。相角调节器的原理构成如图5所示，该相角调 节器的输人为:PLL生成的相位0pm和角频率《pm、 VSG摇摆方程生成的相位0VSf;和角频率《vs^启动 触发信号（GCSr)和相位允许偏差A0s(,。其中， GCSr为变流器的PWM脉冲解锁信号；A0s(,t为设定 VSG和PLL输出的的相位允许偏差的限值。

GCST

图5相角调节器控制原理相角调节器的工作原理:虚拟同步发电机启动 时，当收到并网启动指令信号并解锁PWM脉冲，此 时触发信号GCSr置位为1，相角调节器自动将PLL 的0PLL( A )和《pll( A)作为本次运算最终相位和角速 度的输出，让VSG与电网同频同相启动运行。同 时,输出的0(&)和《(A)作为下一次VSG相位和角 速度运算的积分初始值。

图4虚拟同步发电机电压和电流控制2虚拟同步发电机的相位及角频率控制虚拟同步发电机的相位和角频率控制统称为 相角控制。通过上述虚拟同步发电机控制原理可 知，相位和角频率通过模拟发电机的转子运动方程 得到。但在并网启动瞬间或强扰动工况下，可能出 现控制系统的相位与电网相位的大幅偏离。

{0vsg( A) GCST #1 (0pll( A) GCST= 1

|«VSG( A) GCST #1 «pll

( A) GCST= 1

(8)(9)虚拟同步发电机运行过程中，当相位角0pll(A) 和0vsg( A)之间误差大于允许偏差限值A0s(,t时，调节 器自动将0pll(A)作为本次运算最终相位的输出，强 制让VSG与电网恢复同相运行。同时，输出的0(A) 作为下一次VSG相位运算的积分初始值。0VSG( A) 0PLL( A)_0VSG( A) ^A0s,t0PLL( A) 0PLL( A ) _0VSG( A ) >A0sct通过以上调节器，在并网启动瞬间，通过PLL 对虚拟同步发电机的相角进行预同步，以减少并网 时相位偏差造成的电流冲击;在并网运行过程中， 利用锁相环对虚拟同步发电机的相角进行校正，防 止发生扰动时虚拟同步发电机与电网之间出现过针对以上情况，本文在虚拟同步发电机的相角 输出中增加相角调节器，让虚拟同步发电机的转子 运动方程和PLL算法在相角调节环节同时工作，并 互相校准。通过锁相环对变流器端口电压进行锁

大的相位偏差，避免控制失稳。3实验验证在500 kW储能双向变流器上进行了基于虚拟李旭等:虚拟同步发电机的相角控制方法45-100 -----------1~~1-------1-------------1------------1------------ -1000 300 600 900 1200 1500

"ms

图8切换瞬间电压、电流、有功、无功变化

由图8、图9可见,在非计划性并网到离网切换 过程中，切换平滑，电压抖动小。并网运行时变流 器与电网电角速度相同，为314.251 rad/s,电网频 率为50. 01 Hz;切换到离网后,按频率-有功下垂系 数' = 0.5,理论计算的离网运行电角速度为 314. 702 rad/s,实际系统中变流器在此工况下的电 角速度为314. 703 rad/s,与理论计算一致;按电压- 无功下垂系数= 0• 3,理论计算的离网运行电压 标幺值为0.986 p.u.,实际系统中变流器在此工况 下的输出端电压标幺值为0.986 p.u.,与理论计算 一致。

4结束语虚拟同步发电机控制算法通过摇摆方程生成 逆变器运行的频率和相位，将常规锁相环的输出作 为虚拟同步发电机的相位及角频率参考，通过相位 调节器对虚拟同步机的频率和相位进行同步和校 正，避免了启动并网及强扰动时虚拟同步发电机与 电网之间出现过大的频率和相位偏差，从而减小了

同步发电机的相角控制方法测试。变流器额定功率500 kW,直流工作电压范围 420~650 V,交流额定电压270 V,额定电流1069 A, 额定频率50 Hz,电网流出为电流正方向。采用500 kW/4 h储能电池作为直流电源，通过录波器记录测 试波形。设定A0set = 0• 2 rad,尸如=150 kW,如图6所示，无相角控制情况下变流器并网启动，并在600 ms时 刻强制同步相位的波形。可见无相角同步控制情 况下，直接启动时的冲击电流及功率波动都很大; 强制触发相位同步以后系统逐渐收敛，恢复到稳定 运行。

图6无相角控制变流器并网启动波形如图7所示，为同样参数下加人本文所提的相 角控制时，变流器并网启动的波形。可见有相角同 步控制时，系统的启动冲击电流及功率波动明显减 小，系统快速进人稳定运行状态。

图7有相角控制变流器并网启动波形为验证VSG在扰动工况下的控制稳定性，在上 述变流器上进行了非计划性并网到离网切换试验。 并网有功指令为150 kW,无功指令0 kVar,离网就 地负载容量为14. 2 kW,22. 7 kVar。

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基于虚拟同步发电机的分布式逆变电源控制策略及参数分析

基于虚拟同步发电机的分布式逆变电源控制策略及参数分析

基于虚拟同步发电机的分布式逆变电源控制策略及参数分析一、本文概述随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，可再生能源的开发与利用已成为全球能源发展的必然趋势。

分布式发电作为可再生能源的重要应用形式，其并网控制策略的研究对电力系统的稳定、高效运行具有重要意义。

虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator，VSG）作为一种模拟同步发电机特性的控制策略，在分布式逆变电源中得到了广泛应用。

本文旨在深入探讨基于虚拟同步发电机的分布式逆变电源控制策略及其参数分析。

本文将对虚拟同步发电机的基本原理进行阐述，包括其模拟同步发电机特性的方法和优势，以及在分布式逆变电源中的应用场景。

接着，文章将详细介绍基于虚拟同步发电机的分布式逆变电源控制策略，包括控制策略的设计思路、实现方法以及与传统控制策略的比较分析。

在此基础上，本文将重点分析分布式逆变电源控制策略中的关键参数，如虚拟惯量、阻尼系数等，探讨这些参数对系统稳定性、动态响应性能的影响规律。

通过理论分析和仿真实验，本文将进一步验证所提控制策略的有效性和参数的合理性。

本文还将对基于虚拟同步发电机的分布式逆变电源在实际应用中的前景和挑战进行讨论，以期为后续研究提供参考和借鉴。

本文旨在全面深入地研究基于虚拟同步发电机的分布式逆变电源控制策略及其参数分析，为分布式发电技术的发展和应用提供理论支持和实践指导。

二、虚拟同步发电机的基本原理虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator，VSG）是一种先进的分布式逆变电源控制策略，其基本原理是通过模拟传统同步发电机的运行特性，使分布式电源在并网运行时表现出同步发电机的外特性。

VSG技术不仅有助于改善分布式电源与电力系统的交互性能，还能提高电力系统的稳定性。

VSG的基本原理可以概括为两个方面：一是模拟同步发电机的电磁暂态过程，二是模拟同步发电机的机械暂态过程。

在电磁暂态过程方面，VSG通过控制逆变器的输出电压和电流，使其具有同步发电机的阻抗特性和阻尼特性，从而在并网运行时表现出同步发电机的外特性。

基于虚拟同步发电机的微网运行模式无缝切换控制策略

基于虚拟同步发电机的微网运行模式无缝切换控制策略


基本内容
模式平滑切换技术是解决低电压穿越问题的一种有效策略。它通过识别电网 的状态，选择合适的运行模式以适应不同的电网条件。当电网出现故障，电压降 低时，虚拟同步发电机能够平滑地切换到低电压运行模式，保证系统的稳定运行。
基本内容
在我们的方法中，我们设计了一种新颖的控制策略，该策略能够根据电网的 实时状态决定虚拟同步发电机的运行模式。当电网正常时，虚拟同步发电机以同 步模式运行，发挥其调节电力频率和稳定电网的作用。而当电网出现故障，电压 降低时，虚拟同步发电机能够平滑地切换到低电压运行模式，保证系统的稳定运 行。
三、实验验证
三、实验验证
为了验证VSG控制策略的有效性，我们搭建了一个微网系统实验平台。该平台 包括一个三相微网逆变器、一个分布式能源（本实验中为太阳能电池板）、一个 负载以及一个电能质量分析仪器。
三、实验验证
在实验中，我们首先将微网逆变器连接到分布式能源和负载，并正常运行。 然后，我们引入了VSG控制策略，观察并测量系统的性能。实验结果表明，采用 VSG控制策略后，微网系统的稳定性得到了显著提高，电能质量也有了明显的改 善。具体数据如下：
基本内容
针对虚拟同步发电机微网运行模式无缝切换的控制策略，我们提出以下方案：
1、同步发电机的建模与控制： 首先
2、无模板：在实现虚拟同步发 电机的控制策略时，我们采用了 无模板的方法
2、无模板：在实现虚拟同步发电机的控制策略时，我们采用了无模 板的方法
实验设计和数据采集： 为了验证提出的控制策略有效性，我们搭建了一个包含虚拟同步发电机的微 网实验平台。在实验中，我们采集了虚拟同步发电机及微网的各项运行数据，包 括电压、电流、有功功率、无功功率等。通过实时调整控制策略，我们观察了微 网运行模式无缝切换的控制效果。
虚拟同步机 标准

虚拟同步机 标准

虚拟同步机标准虚拟同步机（Virtual Synchronous Machine，VSM）是一种新的发电机控制方法，可以在分布式能源系统中实现同步发电、频率稳定和电压稳定的控制。

它通过虚拟同步发电机实现了逆变器控制。

虚拟同步发电机实现了将逆变器与传统发电机的控制方法结合起来的功效，从而可以在控制中实现传统发电机的所有优点同时消除一些低电压、高电压、电压波动、电流不良等问题。

虚拟同步发电机的基本功能是在逆变器系统中模仿传统发电机的控制方法，实时监测电力系统的频率、电压波动、相位角等信息，以便实现与电网之间的同步性。

同时，虚拟同步发电机还需要应对不同的负载变化，这就要求该系统充分考虑电网扰动和传统发电机的多重工作模式。

虚拟同步机的控制可以分为主动干预和被动响应两种情况。

主动干预主要是指通过改变功率和视在功率的控制策略，来实现虚拟同步机的各种功能，如提高频率水平、稳定电压、调节负载等。

被动响应则是指当电网发生故障时，虚拟同步机具有能够主动响应的能力，来实时补偿电网的不稳定性和扰动。

虚拟同步机的控制策略主要包括动态跟踪法、等效虚拟发电机法和动态电压调节法。

其中，动态跟踪法和等效虚拟发电机法主要是在控制频率和电压方面的，动态调节法则主要是在控制负载性和电压变化方面。

动态跟踪法是针对高性能要求的虚拟同步机设计的一种控制策略。

该策略将所有的功率控制和视在功率控制都视作一个整体，通过保证不断的监测电网的频率，来实现虚拟同步机与电网之间的同步性。

动态跟踪法的优点是可以实现多种电网连接形式的控制，如单相三线、三相三线和三相四线形式的电网，并且在短时间内有效缓解电网的压力。

等效虚拟发电机法则是在虚拟同步机高强度网络中应用最多的一种控制策略。

该策略通过监测电网的频率和电压，来实现虚拟同步机与电网之间的同步性。

等效虚拟发电机法的优点是可以在短时间内快速恢复电网的频率和电压，提高电网运行效率，并且可以实现长期网络稳定性。

动态电压调节法是一种对虚拟同步机的电压进行跟踪和调节的方法，主要是应用于小型节点集中的虚拟同步机中。

双馈风电机虚拟同步控制工程应用

双馈风电机虚拟同步控制工程应用

双馈风电机虚拟同步控制工程应用双馈风电机虚拟同步控制工程应用步骤一：介绍双馈风电机双馈风电机是一种常用于风能发电的发电机，其特点是具有两个转子绕组，一个是主转子绕组，另一个是副转子绕组。

主转子绕组通过变频器和功率变压器与电网相连接，而副转子绕组则通过滑环装置与风轮相连接。

步骤二：介绍虚拟同步控制虚拟同步控制是指通过对双馈风电机的控制，使其在输出功率和电网频率变化时，能够保持与电网的同步运行。

这种控制方式可以提高风电机组的稳定性和可靠性，减少对电网的影响。

步骤三：双馈风电机虚拟同步控制的原理虚拟同步控制的实现主要依靠对双馈风电机的转子电流进行控制。

通过对双馈风电机的电流进行调节，可以实现对电机的输出功率和转速的控制，进而实现与电网的同步运行。

步骤四：双馈风电机虚拟同步控制的关键技术实现双馈风电机虚拟同步控制的关键技术包括电流控制、转子位置估计、电网频率估计等。

电流控制可以通过采用PI控制器或者模型预测控制等方法实现，转子位置估计可以通过采用滑模观测器或者卡尔曼滤波器等方法实现，电网频率估计可以通过采用PLL锁相环等方法实现。

步骤五：双馈风电机虚拟同步控制的应用双馈风电机虚拟同步控制在风电场中得到了广泛的应用。

通过虚拟同步控制，双馈风电机可以在电网故障或电网频率变化时，及时调整输出功率和转速，保持与电网的同步运行。

这不仅提高了风电机组的稳定性和可靠性，同时也减少了对电网的影响，提高了电能的利用效率。

步骤六：总结双馈风电机虚拟同步控制是一种有效的风电机组控制方法。

通过对双馈风电机的转子电流进行控制，可以实现与电网的同步运行，提高风电机组的稳定性和可靠性。

双馈风电机虚拟同步控制在风电场中得到了广泛的应用，为风能发电的发展提供了有力的支持。