基于带通阻尼功率反馈的虚拟同步发电机控制策略

摘要

电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学）的研究人员李明烜、王跃等，在2018年第10期《电工技术学报》上撰文指出，虚拟同步发电机（VSG）通过在虚拟惯量控制环节中引入阻尼功率反馈来抑制有功功率振荡。

传统基于锁相环的阻尼功率反馈方案需要依赖电网电压信息，这违背了VSG要将并网逆变器控制成输出电压幅值和频率完全独立可控的自同步电压源的目标。而传统无锁相环阻尼反馈方案本质上将下垂控制和阻尼反馈简化成了一个下垂环节，因此不能同时满足功率振荡抑制以及电网一次调频的需求。

为此，提出一种基于带通阻尼功率反馈的VSG控制策略，并对改进VSG控制策略的有功闭环特性进行分析，给出带通阻尼功率反馈环节的参数设计方法。

该方案既可以有效抑制功率振荡，又可以消除阻尼功率反馈与下垂控制间的相互影响，进而保证VSG的一次调频以及有功功率分配性能可以满足电力系统的要求。最后，仿真和实验结果均证明了提出方法的有效性。

近年来，为了解决能源危机和环境问题，以逆变器作为并网接口的风能、太阳能等分布式能源得到了快速的发展[1,2]。与同步发电机相比，并网逆变器具有控制灵活、响应迅速等优点，但同时因其缺少惯性且经常作为一个不可控的发电单元运行，会对电力系统的稳定性造成较大影响，这严重限制了分布式能源的并网容量[3]。

为了实现分布式电源的广泛接入，虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator, VSG）控制策略得到了国内外学者的广泛关注[4-8]。VSG既通过下垂控制模拟了同步发电机的一次调频和一次调压功能，又模拟了同步发电机的转子惯性，因此有望解决分布式电源并网的稳定性问题，提高新能源渗透率[9]。

VSG通过引入虚拟惯量模拟了同步发电机的转子摆动特性，从而提高了频率的抗扰动能力，也使得VSG容易发生有功功率振荡[4,10]。为了抑制功率振荡，引入阻尼功率反馈是VSG普遍采用的方法。

文献[11-16]采用基于锁相环的阻尼功率反馈控制方法，该方法模拟了同步发电机的阻尼机理，其产生的阻尼功率正比于VSG输出电压的角频率和电网角频率间的差值。并网逆变器由于缺少像同步发电机一样的通过磁场耦合自动感知转子角频率和电网角频率差值变化的物理机制[17]，因此需要通过锁相环检测电网频率来获得频率差值信息。

然而，基于锁相环的方法，违背了VSG要将并网逆变器控制成输出电压幅值和频率完全独立可控的自同步电压源，而不依赖电网电压信息的目标。同时锁相环的引入还可能会引起系统的稳定性问题[18]，该方案在弱电网、非线性负载等端口电压不稳定或畸变严重的条件下容易失效[19]。

为了避免锁相环带来的问题，文献[4,20-23]等均采用无锁相环的阻尼功率反馈控制方法，该方法是将前述方法中锁相环检测得到的电网频率用系统的额定频率代替，其本质上是将下垂控制和阻尼反馈简化成了一个下垂环节。

然而，下垂控制和阻尼反馈的功能不同，简化后将不能同时较好地实现二者的控制目标。当按照下垂控制整定参数时，可能会引起很大的功率振荡；当按照阻尼效果整定参数时，将会改变下垂系数，从而使得VSG一次调频特性以及功率分配性能不满足电力系统的要求[5,22]。

针对上述问题，本文首先回顾了传统VSG控制策略的基本原理，并分析了现有的两种VSG阻尼功率反馈方案各自存在的问题。在此基础上提出了一种基于带通阻尼功率反馈的改进VSG控制策略，并对改进VSG控制策略的有功闭环动态特性进行了分析，给出了带通阻尼功率反馈环节的参数设计方法。最后，通过仿真和实验对本文提出的方法进行了验证。

图1  基本VSG控制框图

结论

本文分析了传统VSG控制策略中现有的两种阻尼功率反馈方案存在的问题。传统采用锁相环的阻尼功率反馈违背了VSG将并网逆变器控制成具有自同步能力电压源的控制目标。传统无锁相环的阻尼功率反馈本质上是将下垂控制环节和阻尼反馈环节简化成了一个下垂环节，因此难以同时满足下垂控制与阻尼振荡的控制目标。

当满足下垂控制要求时，可能会引起剧烈的功率振荡；而当满足阻尼控制目标时，又会使得VSG一次调频特性不满足电力系统的要求。为解决此问题，本文提出了一种基于无锁相环带通阻尼功率反馈的VSG控制策略，并给出了带通阻尼反馈通道参数的设计方法，分析了改进VSG控制策略的动态特性。

仿真和实验验证：所提方法能够增加系统阻尼，从而可以有效抑制VSG的暂态冲击以及功率振荡，改善有功功率响应的动态特性；同时消除了阻尼功率对下垂控制的影响及其引起的有功功率稳态偏差，进而保证了VSG的一次调频以及功率分配性能。

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