基于虚拟同步发电机的无缝切换控制技术研究

引言

如今全球能源消耗加剧,环境恶化,清洁能源和传统电力系统的整合正在迅速发展,含光伏、风电等分布式电源的微电网技术受到了越来越多的关注。随着电力电子技术发展,近年来提出了VSG的概念,借鉴传统同步发电机(synchronouSGenerator,SG)的特性,利用电力电子技术模拟其特性,可以为微网提供必要的电压和频率支撑。VSG为系统增加了惯性和阻尼,从而提高了微网频率稳定性。

微电网既可以作为一个独立的系统进行孤岛运行,还可以与电网并联运行,两种模式如何实现平滑切换是现在亟需解决的问题。基于VSG的平滑切换技术,可以有效减少切换过程中产生的冲击电流,仿真结果证实了所提控制策略的可行性。

1VSG控制策略基本原理

1.1功频控制器结构

由于转子的特性,同步发电机具有惯性。功频控制器意在模拟转子的运动方程。根据SG转子运动方程可以将VSG有功频率控制环用式(1)表示:

式中,J为同步发电机的转动惯量:o为角速度,o=4:oref为电网同步角速度:Tm为机械转矩:Te为电磁转矩:Td为阻尼转矩:D为阻尼系数。

1.2励磁控制器结构

励磁控制器通过调节VSG的虚拟电势E来调节机端电压和无功。与传统的P○控制完全不同,其模拟了SG的励磁调节过程,具有类似于无功一电压下垂特性,在保证无功功率的同时还可以进行电压调节。

2VSG并离网无缝切换策略

2.1并/离网切换技术

由VSG原理可知,采用VSG技术的并网逆变器具有SG的外特性。对外可以等效为一个独立的电压源,为微网提供电压和频率支撑。在计划孤岛或非计划孤岛发生时,微电网脱离大电网后,VSG仍然能保持并网时的初始状态,输出的电压幅值和相位保持和电网电压一致,因此不会有明显的暂态过程,从而达到平滑切换的要求。

2.2离/并网切换技术

微网在脱离大电网独立工作情况下,VSG会根据负载变化依照下垂特性调整输出端电压的频率和幅值,久而久之将会导致微网和大电网之间的电压和相位差。当两者电压不同步时切入并网运行,将会产生冲击电流。过大的冲击电流可能导致切换失败的问题,不能并网成功或者电能质量恶化。

本文设计了一种预同步单元来进行相位调整,可以有效减少并网瞬间产生的冲击电流,从而达到平滑切换的目的,其控制原理如下:

式中,Ao为相位补偿量:Kp、Ki为PI控制的比例和积分系数:E0为VSG空载电动势:AU为幅值补偿量。

3仿真结果与分析

根据本文所提的方法,利用Matlab/simulink搭建基于VSG的微电网系统模型。其设计主要参数如下:直流电压800V,基准电压311V:滤波器电感及电阻分别为10mH和0.10,滤波电容50uF:转动惯量J=0.3,阻尼系数D=4。

图1为采用本文控制策略的并网仿真过程中,VSG输出的电压和大电网的电压波形。0~0.50s孤岛运行,在0.50s接收到并网信号,0.66s时完成并网过程,VSG和电网电压达到一致,跟踪效果好,响应速度快。

图2为并网过程中的VSG电压、电流波形,由图可知,并网瞬间几乎没有产生冲击电流,达到了所提控制策略的预期目标,验证了本文理论的可行性。

4结语

针对微电网孤岛和并网两种模式切换存在的问题,提出了一种基于VSG的无缝切换控制技术。首先分析了VSG的原理,采用VSG技术能够解决传统并网逆变器无法提供频率和电压支撑的问题,还可以提高系统的稳定性。其次给出功频控制器和励磁控制器的原理,并设计了预同步单元。两种模式在切换前后不需要改变控制策略,且在离/并网切换时刻能很好地跟踪大电网的电压,无明显的冲击电流,达到了平滑切换的要求。本文所设计的方法简单、易于实现,仿真结果验证了所提控制策略的有效性。