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基于虚拟同步发电机的光伏并网逆变器控制策略

2022-10-13 来源:意榕旅游网
第39卷第4期 2 0 1 7年7月 沈 阳工业大学 学报 VO1.39 No.4 Ju1.2 0 1 7 of Technology Joumal of Shenyang University doi:10.7688/j.issn.1000—1646.2017.04.02 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 (河南城建学院电气与控制工程学院,河南平顶山467000) :l: 摘要: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10 kW 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. 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 中图分类号:TM 615 文献标志码:A 文章编号:1000—1646(2017)04—0366—05 Control strategy of photovoltaic grid-connected inverter based on virtual synchronous generator ZHU Geng—hui,CHEN Guo—zhen,HAN Yao—fei (School of Electrical and Control Engineering,Henan University of Urban Construction,Pingdingshan 467000,China) Abstract: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 vitrual 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 10 kW 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 siilar fmrequency and voltage regulation characteristics with the synchronous generator,and can well adapt the requirements of grid operation. Key words:photovoltaic inverter;virtual synchronous generator;equivalent circuit;vector relation;active frequency;reactive voltage;frequency regulation;voltage regulation 随着能源危机的不断加剧,以太阳能和风能 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 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 收稿日期:2016—11—25. 缺乏发电机组的固有惯性环节,其大规模接纳会 基金项目:河南省科技厅科技攻关项目(162102210098). 作者简介:朱更辉(1979一),男,河南郏县人,讲师,硕士,主要从事电力系统运行与控制等方面的研究. 本文已于2017—06—21 21:19在中网知网优先数字出版.网络出版地址:http://WWW.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T 20】7062】2¨9.0i0.html 第4期 ’朱更辉,等:基于虚拟同步发电机的光伏并网逆变器控制策略 同步发电机 367 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_】-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 syn— chronous generator,VSG)的基本概念被提 出 J,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. 1 同步发电机原理 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一频率和无功一电压调节 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 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, 为并 网电压,, 为同步发电机输出电流.图2中 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.  :图1 同步发电机并网等效电路 Fig.1 Grid-connected equivalent circuit of synchronous generator  .图2 同步发电机并网矢量关系图 Fig.2 Grid-connected vector relation of synchronous generator 将电压和电流信号分别分解到由轴上,可以 求出并网输出电流在由轴上的数学表达式为 ㈤=y㈣一 式中:l,为导纳矩阵;U U 为同步发电机内电 势的直轴分量;Ug 、Ug 为电网电压的直轴分量. 相应表达式分别为 y=( ( ㈦=( ㈩ 相位角 可表示为发电机转子角速度09与 电网系统角速度 差的积分,即 =J(tO一∞ )dt (4) 在实际同步机发电系统中转子的角速度 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. 2虚拟同步发电机控制算法 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. 368 沈阳 工业大学 学报 第39卷 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 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¨ ,设计光伏并网逆变器的无功功率和电 动方程 ,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 2H =Pi—P。一 ( 一(【J ) (5) 压控制算法,结果如图4所示. 式中:H为虚拟惯量常数,与同步发电机的转动惯 量 相对应[101;P.和P。为光伏逆变器的输入和 输出功率;Ks为阻尼系数. 图4无功功率一电压控制原理框图 Fig.4 Principle diagram of reactive power-voltage control 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 功一频率下垂控制器,其表达式模型为 1 图4中Q 为无功参考值,Q。为无功功率输 Pi—P f= }(上, 一cDg) p (6) 出值,D。为无功功率的下垂系数, 为延迟时问 常数,E。 为光伏逆变器端电压参考值,E 为无功 控制环的输出信号,k。。和ki,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 式中:P 为有功参考值;D。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 r Es 一OqO。+( 一Qo) + )(志)(8) 【( )麦+P1  P。一 ( 一O)g)1J ’ 1 (7) E=PI控制器控制无功功率的输出大小,而延时 有功功率与频率控制框图如图3所示. 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 图3有功功率一频率控制原理框图 Fig.3 Principle diagram of active power-frequency control VSG控制算法,忽略了储能的动态响应,在惯性 调节期问,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 为直流侧电压,, 为并网逆变器 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 输出三相电流, 为LC滤波器电容电压.当光 P Q 图5虚拟同步发电机控制框图 Fig.5 Control diagram of VSG 第4期 朱更辉,等:基于虚拟同步发电机的光伏并网逆变器控制策略 400 300 200 > 10O 0 一369 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。频率和无功一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 达式求出其在砌坐标轴下的电流,最后通过与实 际值比较之后生成PWM信号来驱动开关.在这 -100 200 300 400 0 1 2 3 4 5 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. 3仿真验证 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P =10kW,Ug=380V,逆变器直 流电压Ud=800 V,直流侧电容C=8 000 I,zF,逆变 器滤波参数 =4 mH,L =0.5 mH,co=15 ,电 阻R=0.01 n,开关频-W=2 000 Hz,日=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 10000 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. 12 000 l0 000 ≥8 000 槲6 000 蒌4 000 — 2 000 O -2 000 t/s a有功功率 t/s b无功功率 图6光伏并网逆变器输出功率 Fig.6 Output power of photovoltaic grid-connected inverter t/s 图7光伏并网逆变器输出电压 Fig.7 Output voltage of photovoltaic grid-connected inverter 图8光伏并网逆变器频率 Fig.8 Frequency of photovoltaic grid-connected inverter 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. ≥ 、 褂 葛 > 、 斟 图9电网电压跌落5%时的逆变器输出功率 Fig.9 Output power of inverter with grid volatge dropping by 5% 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 370 沈阳 工业 大学 学报 第39卷 ≥ \ t/s a有功功率 > \ 碍 t/S b尤功功率 图10 电网频率上升0.2 Hz时的逆变器输出功率 Fig.10 Output power of inverter with grid frequency increasing by 0.2 Hz 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. 4结论 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. 参考文献(References): [1]陈炜,艾欣,吴涛,等.光伏并网发电系统对电网的 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