基于自适应模式切换的虚拟同步发电机功率控制策略
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
合肥工业大学电气与自动化工程学院、阳光电源股份有限公司的研究人员石荣亮、张兴、徐海珍、刘芳、曹伟，在2017年第12期《电工技术学报》上撰文指出，传统无互联线储能变流器“功率-电压-电流”三环虚拟同步发电机（VSG）控制策略在微网中受到广泛关注，但往往会引起其输出功率限额的问题。
分析两种现有解决方案：①利用改进下垂动态改变下垂系数的方法，其调节能力有限，功率限制效果不佳；②利用下垂额定点调节环平移下垂特性曲线的方法能限制功率输出，但调节环的切换可能引起VSG输出功率出现较大波动，易导致系统不稳定。
为此，提出一种基于自适应模式切换的VSG功率控制策略，即PQ控制的电流源模式和VSG控制的电压源模式的相位和电流指令都实时跟踪，为PQ-VSG控制模式间的自适应切换奠定基础。最后，建立微网系统的仿真模型和实验平台，仿真和实验结果验证了所提控制策略的有效性。
微网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、交流变换器以及监控保护装置有机整合在一起的小型发配电系统[1,2]。储能是微网中非常重要的组成部分，其对微网的作用可以体现为组网运行、并网运行、稳定控制、电能质量改善以及适量的容量可信度等[3]。
储能可以克服微网惯性小、抗扰动能力弱的问题，消减风电和光伏等可再生能源发电的间歇性对系统稳定性的影响，并使微网具有一定的可预测性和可调度性，视为大电网的“可控单元”[4]。在此背景下，微网采用储能变流器的控制研究在全球范围内日益广泛和深入。
微网采用储能变流器不但要在并网条件下为配电网提供功率，而且在离网状态下需要多台变流器并联运行，共同为负荷提供稳定的电压和频率支撑，因此其应当具有电压源的输出特性[5]。文献[6,7]将传统同步发电机的电压和频率下垂特性引入储能变流器的功率外环控制中，以实现储能变流器无互联线条件下的并联稳定运行。
但是，下垂控制并没有模拟同步发电机的惯性，当电网出现有功功率供需不平衡时，缺乏惯性会导致储能变流器无法像传统同步发电机那样，利用其转子固有的转动惯量来抑制电网频率的快速波动[8,9]。
因此，在下垂控制的基础上，文献[10-12]提出虚拟同步发电机（VirtualSynchronous Generator, VSG）技术，使得储能变流器在机理上和外特性上都能与真实的同步发电机相当。然而，储能变流器相比于同步发电机，其过载能力较差。
为了提升储能变流器应对微网或配电网的频率和电压偏差条件下的稳定运行能力，文献[13,14]提出动态改变下垂系数的改进下垂控制方法，动态改变储能变流器的输出功率，但其功率限制效果不佳。文献[15,16]利用下垂额定点调节环限制功率输出，其本质相当于动态平移下垂特性曲线，且调节环的切换易导致系统不稳定。
鉴于上述问题，本文提出一种自适应模式切换的VSG功率控制策略。其中，基于下垂特性的外环功率控制策略，保证了多台储能变流器的无互联线并联运行；基于带有预同步装置的“功率-电压-电流”三环控制策略，实现了储能变流器并网和离网运行模式之间的无缝切换；基于PQ控制和VSG控制的自适应模式切换功率控制策略，实现了储能变流器输出功率的恒定与限额。
最后，利用Matlab/ Simulink软件进行仿真分析，并在此基础上搭建了一套完善的微网实验平台，仿真和实验结果验证了本文所提控制策略的有效性。
图10 实验结果
结论
针对传统下垂控制或VSG控制的储能变流器并网运行时，因受到电网电压和频率波动的影响，其输出功率易出现波动甚至过电流的问题，对此进行储能变流器改进功率控制策略的研究与设计。
1）基于所提带有预同步装置的VSG控制策略，可以将储能变流器模拟成同步发电机，实现不同储能变流器的无互联线并联以及并网、离网运行模式间的无缝切换。
2）通过深入分析和对比动态改变下垂系数法、平移下垂特性曲线法及自适应模式切换法在储能变流器并网运行时的功率输出特性，论证了自适应模式切换法功率恒定与限额效果的优越性。
3）搭建了包含两台100kV·A储能变流器的微网仿真平台与实验系统，对平移下垂特性曲线法和自适应模式切换法保持并网输出功率限额与恒定进行比较测试，仿真与实验结果都验证了所提PQ- VSG控制模式自适应切换策略的正确性与可行性。