大扰动下改进的VSG自适应参数控制策略

2021年5月第45卷第3期

安徽大学学报(自然科学版)

J o u r n a l o fA n h u iU n i v e r s i t y (

N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n )M a y 2

021V o l .45N o .3

d o i :10.3969/j

.i s s n .1000-2162.2021.03.009收稿日期:2020-08-16

基金项目：新疆维吾尔自治区重点实验室开放课题(2018D 04005)；国家自然科学基金资助项目(51767024,51667020

)作者简介：吕聪(1998-)，女，河南淮滨人，新疆大学硕士研究生,E -m a i l :1965488360@q q

.c o m ;*何山(通信作者)，新疆大学教授，博士生导师,E -m a i l :2513041660@q q

.c o m.大扰动下改进的V S G 自适应参数控制策略

吕聪1，何山1,2*，王维庆1,2

，陈伟1，孔令清1，尹昱程1

(1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐,830047;

2.新疆大学可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心，新疆乌鲁木齐,830047

)摘要：分布式新能源并网后，常通过用虚拟同步发电机(v i r t u a l s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r ，简称V S G )解决配电网的无惯性及无阻尼问题，但因V S G 的非线性功角关系，大扰动发生时,V S G 可能会失去平衡.为解决V S G 的失衡问题，在大扰动下V S G 转动惯量及阻尼系数自适应控制策略的基础上，加入控制变量K ，提出大扰动下改进的V S G 自适应参数控制策略.M a t l a b /S i m u l i n k 环境下的仿真结果表明：相对于J ,D 定参数及J ,D 自适应参数控制策略，改进的V S G 自适应参数控制策略减少了频率㊁功率的超调量，抑制了振荡，避免了V S G 的失衡,

提高了暂态稳定性.关键词：虚拟同步发电机；自适应控制；暂态稳定性；功角控制；功角特性曲线

中图分类号:TM 71 文献标志码:A 文章编号:1000-2162(2021)03-0058-08

I m p r o v e dV S Ga d a p t i v e p a r a m e t e r s c o n t r o l s t r a t e g y u n d e r l a r g

e d i s t u r b a n c e L Y U C o n g 1,H ES h a n 1,

2*,WA N G W e i q i n g 1,

2,C H E N W e i 1,K O N GL i n g q i n g 1,Y I N Y u c h e n g

(1.S c h o o l o fE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ,X i n j i a n g U n i v e r s i t y ,U r u m q

i 830047,C h i n a ;2.E n g i n e e r i n g R e s e a r c hC e n t e r o fM i n i s t r y o fE d u c a t i o n f o rR e n e w a b l eE n e r g y G

e n e r a t i o na n d G r i dC o n n e c t i o nT e c h n o l o g y ,X i n j i a n g U n i v e r s i t y ,U r u m q

i 830047,C h i n a )A b s t r a c t :A f t e r t h ed i s t r i b u t e dn e we n e r g y i sc o n n e c t t ot h e g r i d ,t h ev i r t u a l s y

n c h r o n o u s g e n e r a t o r i s o f t e nu s e d t o s o l v e t h e p r o b l e mo f n o i n e r t i a a n d

n od a m p i n g i n t h e d i s t r i b u t i o n n e t w o r k .H o w e v e r ,d u e t o t h e n o n l i n e a r p o w e r a n g l e r e l a t i o n s h i p o f t h e v i r t u a l s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r ,w h e nal a r g ed i s t u r b a n c eo c c u r s ,t h ev i r t u a ls y n c h r o n o u s g e n e r a t o r m a y l

o s e b a l a n c e .I no r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e mo f t h e u n b a l a n c e o fV S G ,t h e c o n t r o l v a r i a b l e K w a s

a d d e d t o t h e a d a p t i v e c o n t r o l s t r a t e g y o fV S Go f i n e r t i a a n dd a m p i n g c o e f f i c i e n t u n d e r l a r g

e d i s t u r b a n c e ,a n d a n i m p r o v e d V S G a d a p t i v e p a r a m e t e r s c o n t r o l s t r a t e g y u n d e rl a r g e d i s t u r b a n c ew a s p r o p o s e d .T h e s i m u l a t i o nr e s u l t s i n M a t l a b /S i m u l i n ke n v i r o n m e n t s h o w e d t h a tc o m p a r e d w i t ht h ec o n t r o ls t r a t e g y o f

f i x e d J ,D p a r a m e t e r sa n d a d a p

t i v e J ,D p a r a m e t e r s ,t h e a d a p t i v e p a r a m e t e r s c o n t r o l s t r a t e g y o fi m p

r o v e d V S G r e d u c e d t h e o v e r s h o o t o f f r e q u e n c y a n d p o w e r ,s u p p r e s s e d

t h e o s c i l l a t i o n ,a v o i d e d t h e u n b a l a n c e o fV S G a n d e n h a n c e d t r a n s i e n t s t a b i l i t y .K e y

w o r d s :v i r t u a l s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r ;a d a p t i v e c o n t r o l ;t r a n s i e n t s t a b i l i t y ;p o w e r a n g l e c o n t r o l ;p o w e r a n g

l e c h a r a c t e r i s t i c s

分布式新能源通过电力电子器件并网，电力电子器件不具备惯性㊁阻尼，使系统整体的惯性㊁阻尼降低，进而影响系统的稳定性[1-2]

.为解决此问题，研究人员提出虚拟同步发电机(v i r t u a l s y

n c h r o n o u s g

e n e r a t o r ，简称V S G )，将V S G 的转动惯量和阻尼系数引入逆变器，通过调节这些参数，为系统提供惯性和阻尼[3-4

].已有的V S G 模型[5-7

]

，多为分析小扰动下V S G 的稳定性.文献[8]提出了小扰动下V S G 的转动惯量自适应控制策略，以保证V S G 的平衡性.文献[9]在此基础上考虑阻尼系数的选择，提出基于V S G 的转动惯量及阻尼系数的协同自适应控制策略.文献[10]提出电压不平衡下V S G 的分序矢量控制方法,

独立控制正㊁负序分量，能快速抑制负序电流和功率振荡.文献[11]提出电网发生对称故障时，通过有功指令调整功角大小，将功角控制在一定范围内.小扰动下V S G 的控制策略应用在大扰动下可能增加系

统谐波，影响电能质量[12

]，因此有必要研究大扰动下V S G 的暂态稳定性及控制策略.

该文在大扰动下V S G 转动惯量及阻尼系数自适应控制策略的基础上,

加入控制变量K ，提出大扰动下改进的V S G 自适应参数控制策略.该策略在出现大干扰后检测V S G 功角控制反馈，自适应切换正㊁负反馈和选取转动惯量㊁阻尼系数.该策略不仅能有效抑制功率㊁频率振荡，还能避免V S G 失去平衡.在M a t l a b /S i m u l i n k 环境搭建系统仿真模型，在三相短路故障和两相接地短路故障下验证所提策略的有效性.

1 V S G 的基本控制策略

图1为V S G 并网后的主电路拓扑结构和相关控制策略示意图，其中:U d c 为与分布式电源等效的

直流电源;U o ,I o 分别为V S G 的输出电压㊁电流;U g ,I g 分别为并网侧的电压㊁电流;L 1,R 1,C 分别为滤波电感㊁滤波电感内阻㊁滤波电容;L 2,R 2分别为传输线路的电感㊁电阻.V S G 经L C 滤波电路和传输线连接至电网.V S G 控制策略主要包括有功-频率控制㊁无功-电压控制㊁电压电流双闭环控制㊁S V P WM 调制

图1 V S G 并网后的主电路拓扑结构和相关控制策略示意图

V S G 的有功-

频率控制通过如下摇摆方程实现[13

]J d

ωd t =P r e f -P e ωn

-D (

ω-ωn ),d δ

d t =ω,

)9风雨雷电

5第3期吕聪，等：大扰动下改进的V S G 自适应参数控制策略

其中:J 为虚拟转动惯量;D 为虚拟阻尼系数;P r e f ,P e 分别为V S G 的参考有功功率㊁输出有功功率;ωn ,ω分别为电网同步角速度㊁虚拟转子角速度;δ为并网侧电压与V S G 输出电压之间的夹角，即V S G 的功角.

无功-电压控制通过模拟传统同步发电机的调压特性实现，其控制方程为d (M *f i *

f )d t =

U g m -U o m K 0+Q r e f -Q

K 1

,(2

)其中:M *f 为励磁绕组与定子绕组间的最大互感;i *

f 为转子励磁电流;

U g m ,U o m 分别为并网侧电压的幅值㊁V S G 输出电压的幅值;K 0为下垂系数;Q r e f ,Q 分别为V S

G 的参考无功功率㊁输出无功功率;K 1为比例系数.类比传统同步发电机的电磁关系[14]

，可得V S G 的电势㊁

输出有功功率㊁输出无功功率计算公式分别为

e =ωM *

f i *f s

i n δ,(3)P e =ωM *f i *f I o s

i n δ,(4)Q =-ωM *f i *f I o c

o s δ.(5

) 电压电流双闭环控制起稳压和提高动态稳定性的作用.

电压外环㊁电流内环的控制方程分别为I *

r e f d =K p 1+K i 1s

U r e f d -U o d -ωC U o q +

I L 1d ,I *

r e f q =K p 1+K i 1s U r e f q -U o q

-ωC U o d +I L 1q ,

)U *

g d

=K p

i 2

s I *

r e f d

-I o d -ωL 2I o q +U o

d ,U *g q =K p 2+

i 2s

I *

r e f q -I o q -ωL 2I o d +U o q ,

(7)其中:U o d ,U o q

分别为V S G 输出电压的d ,q 分量;I o d ,I o q 分别为V

S G 输出电流的d ,q 分量;U r e f d ,U r e f q 分别为V S G 输出的内电势d ,q 分量;K p 1,K i 1为电压外环P I 控制参数;K p 2,K i 2为电流内环P I 控制参数.

根据式(6),(7

)得到的电压电流双闭环控制框图如图2所示.图2 电压电流双闭环控制框图

V S G 通过模拟传统同步发电机的惯性和阻尼特性㊁有功-频率控制㊁无功-电压控制，形成V S G 并网

控制策略，以抑制功率波动及调节系统频率.

2 大扰动下V S G 的暂态稳定性分析

图3为V S G 并网后的等效电路图.以V S G 线路上H 点发生三相短路故障为例.V S G 的功角特性

曲线如图4所示，其中A ,F 均为V S G 运行时的平衡点[15].

6安徽大学学报(自然科学版)

第45卷

图3 V S G中国最贵的烟排行

并网后的等效电路

图4 V S G 功角特性曲线

故障发生时，电网电压的幅值会降低，需要在V S G 控制中加入限幅环节，防止过大的电流损害V S G 中的电力电子器件.限幅环节是否起作用，取决于电压外环的输出电流是否超过V S G 允许的最大

输出电流I m .若未超过，则限幅环节不起作用，电流在内环的参考值不变；若超过，则限幅环节起作用,

改变电流在内环的参考值，避免过流导致电力电子器件损坏.限幅环节的控制方程[16]为

I r e f d =I *r e f d ,I *2r e f d +I *2r e f q <I m ,

I *

r e f d

I *2r e f d +I *2

r e f q

I m ,I *2r e f d +I *2

r e f q >I m ,

)I r e f q =I *r e f q ,I *2r e f d +I *2r e f q <I m ,

I *r e f q

I *2

r e f d

r e f q

I m ,I

r e f d

r e f q

>I m ,

)其中:I m 为V S G 输出电流的限幅值.

故障时V S G 不能提供短路电流,

限幅作用下等效为一个电流源，输出电流为I m .功角关系为P e =ωM *f i *

f I m s

i n δ.(10) 限幅作用下,V S G 的运行点从图4电流非饱和曲线Ⅰ切换到电流饱和曲线Ⅱ.

V S G 正常运行时稳定在图4的A 点,

当A 点发生三相短路故障时，功角特性曲线由Ⅰ变为Ⅱ.V S G 的运行点由A 点移至B ,V S G 在B 点的输出功率P e 小于参考功率P r e f ,

由式(1)可知d ω/d t >0，于是转速ω增加㊁功角δ增大㊁V S G 的运行点则由B 点移至C .假定C 点故障消失，同理可知V S G 的运行点沿着曲线Ⅱ从C 点移至D ，于是转速ω减小，但ω仍大于同步转速ωn ，功角δ继续增加，运行点继续由D 点移至E .若转速ω在V S G 运行到E 点之前恢复至同步转速ωn ，则V S G 恢复稳定运行；反之，转速ω会继续增加，将不会恢复至同步转速ωn ，于是功角δ持续增大㊁V S G 失去平衡.

3 改进的V S G 自适应参数控制策略

V S G 与传统同步发电机相比，其参数可控㊁结构灵活.为避免运行状态越过E 点后出现失衡，该文提出一种改进的V S G 自适应参数控制策略.

基于图4中V S G 运行状态是否越过E 点，设定两种工作模式：一是V S G 运行状态未越过E 点,

保持稳定(负反馈模式)；二是V S G 运行状态越过E 点，失去平衡(正反馈模式).将控制变量K 插入有功功率环路的正向路径后，负反馈模式下K =1，正反馈模式下K =-1.V S G 的功角特性可保证工作在

6第3期吕聪，等：大扰动下改进的V S G 自适应参数控制策略

负反馈模式下，只要故障后存在平衡点，就能保持V S G 的暂态稳定性，避免运行状态越过E 点后出现失衡.故障下V S G 的工作特性如表1所示，其中ΔP =P r e f -P e ,

Δω=ω-ωn .表1 故障下V S G 的工作特性

运行情况

反馈模式ΔP

d (ΔP )/d t

最浪漫的情诗Δω

B C 段

负反馈>0<0>0C D 段负反馈<0>0>0D E 段负反馈<0<0>0越过E 点

正反馈

花的英文怎么写

电流未饱和时，其功角特性为图4中的曲线Ⅰ，且有J =J 0,K =1；故障发生后,V S G 的运行状态

从电流未饱和曲线Ⅰ切换至电流饱和曲线Ⅱ，运行于B C 段，此时选择合适的J m a x ，可抑制转速ω的增加，且有K =1；故障切除后，运行于C D ,D E 段，此时选择合适的J m i n ，可使转速ω减小，且有K =1.若V S G 运行越过E 点，此时K =-1，工作模式变为负反馈,d ω/d t <0,V S G 的转速ω开始变小，此时选择合适的J m i n ,

可使转速ω减小,ω与ωn 的差距缩小使V S G 在失衡状态下工作.对阻尼系数D 来说，电流未饱和时，取D =D 0；故障发生后的B C 段与故障切除后的C D ,D E 段,

以及运行状态越过E 点后，均取D =D m a x ,

这样能减少暂态过程中频率的超调量，以提高频率的稳定性.J ,D 控制策略如下J =J 0,K =1,I A <I m ,J m a x ,

K =1,I A >I m ɘU g <0.9U g ɘΔP >0ɘΔω>0,J m i n ,K =1,I A >I m ɘ0.9U g ɤU g ɤ1.1U g ɘΔP <0ɘΔω>0,J m i n ,

K =-1,I A >I m ɘ0.9U g ɤU g ɤ1.1U g ɘd (ΔP )/d t >0ɘΔP >0ɘΔω>0,

(11

)D =D 0,I A <I m ,

D m a x ,I A >I m

(12

)其中:I A =I 2o d +I 2o q ;

J m a x =J 0+K f I m -I A ;J m i n =J 0-K f I m -I A ;D m a x =D 0+K d I m -I A ;J 0,D 0分别为V S G 正

常运行时的转动惯量㊁阻尼系数;K f ,K d 为自适应调节系数.人闲桂花落

图5为改进的V S G 自适应参数控制框图，其中虚线框的参数为自适应控制的参数.改进的V S G 自

曹操的简介

适应算法流程如图6

所示.

图5 改进的V S G 自适应参数控制框图

图6 改进的V S G 自适应算法流程

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