基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的無縫切換控制技術(shù)研究

引言

如今全球能源消耗加劇,環(huán)境惡化,清潔能源和傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的整合正在迅速發(fā)展,含光伏、風(fēng)電等分布式電源的微電網(wǎng)技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注。隨著電力電子技術(shù)發(fā)展,近年來提出了VSG的概念,借鑒傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)(synchronouSGenerator,SG)的特性,利用電力電子技術(shù)模擬其特性,可以為微網(wǎng)提供必要的電壓和頻率支撐。VSG為系統(tǒng)增加了慣性和阻尼,從而提高了微網(wǎng)頻率穩(wěn)定性。

微電網(wǎng)既可以作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行孤島運(yùn)行,還可以與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行,兩種模式如何實(shí)現(xiàn)平滑切換是現(xiàn)在亟需解決的問題?；赩SG的平滑切換技術(shù),可以有效減少切換過程中產(chǎn)生的沖擊電流,仿真結(jié)果證實(shí)了所提控制策略的可行性。

1VSG控制策略基本原理

1.1功頻控制器結(jié)構(gòu)

由于轉(zhuǎn)子的特性,同步發(fā)電機(jī)具有慣性。功頻控制器意在模擬轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方程。根據(jù)SG轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程可以將VSG有功頻率控制環(huán)用式(1)表示:

式中,J為同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:o為角速度,o=4:oref為電網(wǎng)同步角速度:Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩:Te為電磁轉(zhuǎn)矩:Td為阻尼轉(zhuǎn)矩:D為阻尼系數(shù)。

1.2勵(lì)磁控制器結(jié)構(gòu)

勵(lì)磁控制器通過調(diào)節(jié)VSG的虛擬電勢E來調(diào)節(jié)機(jī)端電壓和無功。與傳統(tǒng)的P○控制完全不同,其模擬了SG的勵(lì)磁調(diào)節(jié)過程,具有類似于無功一電壓下垂特性,在保證無功功率的同時(shí)還可以進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。

2VSG并離網(wǎng)無縫切換策略

2.1并/離網(wǎng)切換技術(shù)

由VSG原理可知,采用VSG技術(shù)的并網(wǎng)逆變器具有SG的外特性。對外可以等效為一個(gè)獨(dú)立的電壓源,為微網(wǎng)提供電壓和頻率支撐。在計(jì)劃孤島或非計(jì)劃孤島發(fā)生時(shí),微電網(wǎng)脫離大電網(wǎng)后,VSG仍然能保持并網(wǎng)時(shí)的初始狀態(tài),輸出的電壓幅值和相位保持和電網(wǎng)電壓一致,因此不會(huì)有明顯的暫態(tài)過程,從而達(dá)到平滑切換的要求。

2.2離/并網(wǎng)切換技術(shù)

微網(wǎng)在脫離大電網(wǎng)獨(dú)立工作情況下,VSG會(huì)根據(jù)負(fù)載變化依照下垂特性調(diào)整輸出端電壓的頻率和幅值,久而久之將會(huì)導(dǎo)致微網(wǎng)和大電網(wǎng)之間的電壓和相位差。當(dāng)兩者電壓不同步時(shí)切入并網(wǎng)運(yùn)行,將會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。過大的沖擊電流可能導(dǎo)致切換失敗的問題,不能并網(wǎng)成功或者電能質(zhì)量惡化。

本文設(shè)計(jì)了一種預(yù)同步單元來進(jìn)行相位調(diào)整,可以有效減少并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生的沖擊電流,從而達(dá)到平滑切換的目的,其控制原理如下:

式中,Ao為相位補(bǔ)償量:Kp、Ki為PI控制的比例和積分系數(shù):E0為VSG空載電動(dòng)勢:AU為幅值補(bǔ)償量。

3仿真結(jié)果與分析

根據(jù)本文所提的方法,利用Matlab/simulink搭建基于VSG的微電網(wǎng)系統(tǒng)模型。其設(shè)計(jì)主要參數(shù)如下:直流電壓800V,基準(zhǔn)電壓311V:濾波器電感及電阻分別為10mH和0.10,濾波電容50uF:轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.3,阻尼系數(shù)D=4。

圖1為采用本文控制策略的并網(wǎng)仿真過程中,VSG輸出的電壓和大電網(wǎng)的電壓波形。0~0.50s孤島運(yùn)行,在0.50s接收到并網(wǎng)信號(hào),0.66s時(shí)完成并網(wǎng)過程,VSG和電網(wǎng)電壓達(dá)到一致,跟蹤效果好,響應(yīng)速度快。

圖2為并網(wǎng)過程中的VSG電壓、電流波形,由圖可知,并網(wǎng)瞬間幾乎沒有產(chǎn)生沖擊電流,達(dá)到了所提控制策略的預(yù)期目標(biāo),驗(yàn)證了本文理論的可行性。

4結(jié)語

針對微電網(wǎng)孤島和并網(wǎng)兩種模式切換存在的問題,提出了一種基于VSG的無縫切換控制技術(shù)。首先分析了VSG的原理,采用VSG技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器無法提供頻率和電壓支撐的問題,還可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其次給出功頻控制器和勵(lì)磁控制器的原理,并設(shè)計(jì)了預(yù)同步單元。兩種模式在切換前后不需要改變控制策略,且在離/并網(wǎng)切換時(shí)刻能很好地跟蹤大電網(wǎng)的電壓,無明顯的沖擊電流,達(dá)到了平滑切換的要求。本文所設(shè)計(jì)的方法簡單、易于實(shí)現(xiàn),仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。