同步發(fā)電機(jī)微電網(wǎng)VSG控制策略功率分配分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u15587同步發(fā)電機(jī)微電網(wǎng)VSG控制策略功率分配分析案例 173291.1功率傳輸特性分析 1310831.2VSG功率分配參數(shù)匹配設(shè)計(jì) 2124611.3基于虛擬復(fù)阻抗控制的功率分配 574091.3.1虛擬復(fù)阻抗對(duì)逆變器等效輸出阻抗的影響 5289831.3.2虛擬復(fù)阻抗對(duì)功率分配精度的影響 8316481.3.3虛擬復(fù)阻抗法功率分配仿真 839421.4自適應(yīng)改進(jìn)虛擬阻抗策略研究 1184501.5小結(jié) 13功率傳輸特性分析功率傳輸特性是分析功率分配的前提，因此首先分析逆變器輸出電壓頻率與有功和無(wú)功的關(guān)系。單臺(tái)逆變器的等效電路如圖4-1所示。逆變器等效為一個(gè)受控電壓源，通過(guò)線路阻抗與系統(tǒng)公共交流母線相連。為VSG勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)，為輸出電流，為微網(wǎng)交流母線電壓，和分別為勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)相角、逆變器輸出電壓相角，為逆變器輸出電壓，系統(tǒng)等效輸出阻抗為逆變器等效輸出阻抗和線路阻抗之和。圖4-1逆變器輸出功率等效電路圖系統(tǒng)輸出電流為： (4-1)系統(tǒng)輸出的有功功率為： (4-2)由式(4-2)得： (4-3)在電力系統(tǒng)中，由于電壓等級(jí)的不同對(duì)應(yīng)的線路阻抗特性也不同。在中高壓等級(jí)線路中，線路感性往往高于阻性，線路阻抗特性整體表現(xiàn)為感性，低壓等級(jí)線路中，線路阻性通常高于感性，系統(tǒng)的線路阻抗特性幾乎呈現(xiàn)為阻感性甚至阻性。由式(4-3)分析可知，當(dāng)系統(tǒng)線路阻抗整體表現(xiàn)為阻感性時(shí)，線路傳輸?shù)挠泄β屎蜔o(wú)功功率與電壓和頻率都有著強(qiáng)烈的耦合關(guān)系，使得下垂控制精度降低。當(dāng)?shù)刃л敵鲚敵鲎杩狗謩e表現(xiàn)為阻感性、感性、阻性時(shí)，VSG輸出功率表達(dá)式和下垂控制方程如表4-1所示ADDINNE.Ref.{ED7BE1E7-2BB5-4EF4-B8EE-278C416F2FBA}[55]。表4-1輸出功率表達(dá)式及下垂控制表達(dá)式功率表達(dá)式下垂控制方程VSG功率分配參數(shù)匹配設(shè)計(jì)逆變器并聯(lián)運(yùn)行可以自由擴(kuò)容，靈活改變微網(wǎng)的容量，可滿足不同用戶對(duì)電力的特定需求，且彌補(bǔ)了單臺(tái)逆變器容易發(fā)生單點(diǎn)故障的劣勢(shì)，當(dāng)某臺(tái)逆變器發(fā)生故障時(shí)，其它逆變器可分擔(dān)負(fù)荷繼續(xù)運(yùn)行，提升了微網(wǎng)供電的可靠性。在實(shí)際工況中，由于發(fā)電裝置容量的不同，所需要逆變器的容量也不同。下面針對(duì)VSG不同容量并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，研究VSG輸出功率可實(shí)現(xiàn)均勻分配的參數(shù)匹配條件。根據(jù)表4-1可得，當(dāng)VSG等效輸出阻抗呈感性，注入公共交流母線有功功率和無(wú)功功率表達(dá)式為： (4-4)通常逆變器輸出電壓與微網(wǎng)交流母線電壓的相位差很小，因此，，功率表達(dá)式簡(jiǎn)化為： (4-5)當(dāng)多個(gè)VSG逆變器并聯(lián)運(yùn)行于微電網(wǎng)時(shí)，其中一臺(tái)VSG逆變器的輸出有功功率和無(wú)功功率表達(dá)式為： (4-6)根據(jù)式(3-5)，當(dāng)VSG系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行于額定角頻率時(shí)，系統(tǒng)不存在頻率差值，此時(shí)逆變器的機(jī)械功率等于電磁功率，那么： (4-7)根據(jù)式(3-4)和式(3-6)，可得一臺(tái)VSG控制系統(tǒng)中的調(diào)速器和勵(lì)磁控制表達(dá)式為： (4-8)式(4-8)表示在第臺(tái)VSG逆變器中，為逆變器輸出有功功率的參考值，為逆變器輸出角頻率的參考值，為逆變器實(shí)際輸出角頻率，為逆變器有功下垂控制系數(shù)，為逆變器勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)給定值，為逆變器額定無(wú)功功率，為逆變器無(wú)功下垂控制系數(shù)。以兩臺(tái)VSG逆變器并聯(lián)運(yùn)行為例研究逆變器輸出功率分配策略。首先分析VSG逆變器的有功功率分配。假設(shè)兩臺(tái)VSG逆變器的額定容量之比為，那么滿足式： (4-9)兩臺(tái)VSG逆變器的給定有功功率滿足式： (4-10)根據(jù)式(4-8)，為使輸出有功功率按照容量比進(jìn)行分配，那么下式就該成立： (4-11)當(dāng)并聯(lián)系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，且VSG逆變器都在額定頻率下工作，由于頻率為全局變量，因此兩臺(tái)逆變器的輸出頻率相等，如果上式想要式成立，那么需滿足式： (4-12)在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中，為了保證并聯(lián)的兩臺(tái)VSG有良好的運(yùn)行特性，假設(shè)其有功功率變化量分別為和。由式(3-7)知一臺(tái)VSG逆變器勵(lì)磁控制器傳遞函數(shù)為： (4-13)式中，為輸出角頻率的變化量，為輸出有功功率變化量，為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為阻尼系數(shù)。由式(4-13)得： (4-14)當(dāng)并聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行于額定角頻率時(shí)，各個(gè)逆變器輸出角頻率變化量相等，上式可整理為： (4-15)想要滿足式(4-15)，需滿足： (4-16)由式(4-16)可得，只有當(dāng)有功下垂控制系數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及阻尼系數(shù)分別與逆變器額定容量成正比時(shí)，兩臺(tái)VSG并聯(lián)系統(tǒng)方可實(shí)現(xiàn)有功功率均勻分配。接下來(lái)分析無(wú)功功率分配策略，與有功功率分配策略同理，由式(4-9)可知，兩臺(tái)VSG的額定無(wú)功功率也滿足： (4-17)如果不考慮線路阻抗壓降，那么并聯(lián)運(yùn)行時(shí)逆變器的輸出電壓相等，即： (4-18)為實(shí)現(xiàn)功率分配，使得下式成立： (4-19)將式(4-19)帶入式(4-18)得： (4-20)逆變器等效輸出阻抗相對(duì)于線路阻抗值很小，故忽略不計(jì)。考慮線路線路阻抗壓降時(shí)，逆變器輸出電壓表達(dá)式為： (4-21)第臺(tái)VSG逆變器線路阻抗的壓降為： (4-22)當(dāng)傳輸線路阻抗呈感性時(shí)，若要，只需使得線路阻抗與逆變器容量成反比關(guān)系，可表示為： (4-23)若系統(tǒng)參數(shù)滿足上式，可實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率均勻分配ADDINNE.Ref.{4F61540A-21B7-4AED-8092-A34256DE77D9}[56]。綜上所述，VSG系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率分配條件為： (4-24)基于虛擬復(fù)阻抗控制的功率分配在上節(jié)分析中，逆變器輸出功率可在控制參數(shù)與逆變器容量匹配后實(shí)現(xiàn)均分都是建立在VSG控制系統(tǒng)等效輸出呈感性基礎(chǔ)上，因微電網(wǎng)電壓等級(jí)不同使得線路阻抗呈現(xiàn)出不同的阻抗特性。低壓微電網(wǎng)中傳輸線路阻抗通常情況下呈阻感性，線路有功功率和無(wú)功功率與電壓、頻率間有著強(qiáng)烈的耦合性，在一定程度上，直接影響下垂控制的精確性。在逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中，通常加入大電感來(lái)改善線路的阻感比，有利于下垂控制，實(shí)現(xiàn)功率均勻分配。但是加入的電感體積大、成本高，往往不適用于實(shí)際工況。加入虛擬復(fù)阻抗可以改變微電網(wǎng)系統(tǒng)等效輸出阻抗阻感比，虛擬負(fù)電阻可以減少系統(tǒng)等效輸出阻抗的阻性，虛擬正電感增大系統(tǒng)等效輸出阻抗的感性，提高下垂控制的精確度。虛擬復(fù)阻抗對(duì)逆變器等效輸出阻抗的影響(1)未加入虛擬復(fù)阻抗逆變器等效輸出阻抗VSG控制系統(tǒng)中內(nèi)環(huán)控制采用電壓電流雙閉環(huán)控制，電壓環(huán)采用比例積分控制，電流環(huán)采用比例控制。由圖2-3可推導(dǎo)出電壓電流環(huán)的傳遞函數(shù)： (4-25)式中，表示輸出電壓跟蹤輸出電壓參考值的能力，表示電壓電流雙閉環(huán)的等效輸出阻抗；忽略系統(tǒng)采樣環(huán)節(jié)所帶來(lái)的時(shí)間延遲，和的表達(dá)式為： (4-26) (4-27)式中，為電壓環(huán)參考電壓到輸出電壓的增益?zhèn)鬟f函數(shù)，為逆變器等效輸出阻抗，增益?zhèn)鬟f函數(shù)和輸出阻抗傳遞函數(shù)性能均和電壓電流雙閉環(huán)傳遞函數(shù)的控制參數(shù)密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)控制參數(shù)的設(shè)計(jì)使增益?zhèn)鬟f函數(shù)在工頻處幅值為1，相位為0°。通過(guò)對(duì)雙閉環(huán)控制參數(shù)的設(shè)計(jì)，可以改變工頻處逆變器等效輸出阻抗的阻感性，進(jìn)而改變系統(tǒng)等效輸出阻抗的阻感比，提高下垂控制精度和功率的分配精度ADDINNE.Ref.{1A078929-FFD5-45A2-AB1D-87841E9AA93B}[39]。系統(tǒng)的等效輸出阻抗由逆變器等效輸出阻抗和線路阻抗組成，逆變器等效輸出阻抗很小，當(dāng)線路阻性分量較大時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)雙閉環(huán)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)等效輸出阻抗的阻感比的能力非常有限。(2)虛擬復(fù)阻抗環(huán)對(duì)逆變器等效輸出阻抗的影響考慮到通過(guò)調(diào)節(jié)雙閉環(huán)控制參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)逆變器等效輸出阻抗具有很大的局限性，在VSG控制系統(tǒng)中通過(guò)定子方程引入虛擬復(fù)阻抗來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)等效輸出阻抗阻感比，從而提高下垂控制精度，實(shí)現(xiàn)輸出功率的精確分配。在電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)加入虛擬阻抗環(huán)后的三環(huán)控制系統(tǒng)控制框圖如圖4-2所示：圖4-2三環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖由圖4-2可得，加入虛擬阻抗環(huán)后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)： (4-28)將上式帶入式(4-25)得： (4-29)加入虛擬阻抗后逆變器等效輸出阻抗為： (4-30)下面分析虛擬復(fù)阻抗對(duì)系統(tǒng)等效輸出阻抗的影響。先分析虛擬負(fù)電阻，令，分別為-0.1、-0.4、-0.8時(shí)，逆變器等效輸出阻抗的伯德圖如圖4-3所示。由圖可以看出，在引入虛擬負(fù)電阻前，逆變器等效輸出阻抗在工頻處幅值很小，近似為0，相角為90°，呈感性。在加入虛擬負(fù)電阻后，隨著虛擬負(fù)電阻值的增加，逆變器等效輸出阻抗值也開(kāi)始增加，相位處于第二象限，逐漸靠近180°。圖4-3加入虛擬負(fù)電阻前后逆變器等效輸出阻抗伯德圖接下來(lái)分析虛擬電感對(duì)系統(tǒng)等效輸出阻抗的影響，令，分別取、、時(shí)、，系統(tǒng)等效輸出阻抗的伯德圖如圖4-4所示。虛擬電感增大時(shí)，工頻處逆變器等效輸出阻抗幅值隨之增大，當(dāng)時(shí)，，這與加入的虛擬復(fù)阻抗近似相等。圖4-4加入虛擬復(fù)阻抗后逆變器等效輸出阻抗伯德圖綜上，考慮到通過(guò)調(diào)節(jié)電壓電流雙閉環(huán)參數(shù)調(diào)節(jié)逆變器等效輸出阻抗呈感性的方法非常受限，引入虛擬復(fù)阻抗可有效調(diào)節(jié)逆變器等效輸出阻抗性，從而改善系統(tǒng)等效輸出阻抗阻感比，實(shí)現(xiàn)功率解耦。引入虛擬復(fù)阻抗后系統(tǒng)的等效輸出阻抗為： (4-31)虛擬復(fù)阻抗對(duì)功率分配精度的影響在微電網(wǎng)系統(tǒng)中頻率為全局變量，在VSG控制策略下只需滿足有功下垂系數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼系數(shù)匹配逆變器容量就可實(shí)現(xiàn)有功功率的合理分配。無(wú)功功率分配誤差取決于公共母線電壓、線路阻抗差和無(wú)功下垂系數(shù)，線路阻抗差異是引起無(wú)功功率無(wú)法均勻分配的根本原因ADDINNE.Ref.{C50A4189-1EDC-43F7-99E7-B357E5D89510}[57]。如果不考慮線路阻抗的差異性，只需滿足無(wú)功下垂系數(shù)與逆變器容量成比例分配就可實(shí)現(xiàn)功率均分。但是在實(shí)際工程中，總是存在逆變器地理位置的差異、數(shù)值計(jì)算誤差、干擾、參數(shù)偏移等問(wèn)題，線路阻抗差的存在在所難免。在傳統(tǒng)的修正下垂方法中，通過(guò)增大下垂系數(shù)來(lái)提高無(wú)功功率分配精度ADDINNE.Ref.{78A295D4-B346-482A-8173-52037DDCAC4A}[58,59]，但這種方法降低了微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和并網(wǎng)電壓質(zhì)量，因此改善線路阻抗差可以有效改善無(wú)功功率分配誤差。加入虛擬復(fù)阻抗可提高輸出無(wú)功功率的分配精度。加入的虛擬負(fù)電阻可以減小系統(tǒng)等效輸出阻抗的阻性，加入的虛擬正電感可增大系統(tǒng)等效輸出阻抗的感性，調(diào)節(jié)阻感比，提高下垂控制精度。并且由于加入的虛擬電抗遠(yuǎn)大于線路電抗，所以系統(tǒng)等效輸出阻抗近似等于虛擬電抗，此時(shí)逆變器容量與虛擬電感成反比關(guān)系就可實(shí)現(xiàn)輸出無(wú)功功率的均分分配。虛擬復(fù)阻抗匹配如圖4-5所示。為加入的虛擬復(fù)阻抗，為加入虛擬復(fù)阻抗后逆變器等效輸出阻抗。圖4-5虛擬復(fù)阻抗匹配圖令虛擬負(fù)電阻值等于線路電阻值，虛擬電抗遠(yuǎn)大于線路電抗，虛擬電抗與逆變器容量近似匹配，此時(shí)輸出無(wú)功功率均分條件為： (4-32)虛擬復(fù)阻抗法功率分配仿真低壓微電網(wǎng)下逆變器傳輸線路阻抗成阻感特性以及線路阻抗不匹配時(shí)都會(huì)影響無(wú)功功率的均勻分配，虛擬復(fù)阻抗首先可以改善等效輸出阻抗的阻感比，提高下垂控制精度。另外，當(dāng)線路阻抗與逆變器容量不匹配時(shí)，虛擬復(fù)阻抗的引入可以使得系統(tǒng)等效輸出阻抗與逆變器容量近似成比例，從而調(diào)高無(wú)功功率分配精度，但同時(shí)也會(huì)影響逆變器輸出電壓質(zhì)量。基于上述理論分析，利用Matlab/Simulink搭建兩臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行模型，進(jìn)行理論仿真研究。以兩臺(tái)DG并聯(lián)為例，假設(shè)DG1和DG2的容量之比為2:1，線路阻抗之比為。依據(jù)VSG控制下功率分配均分條件，下垂系數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼系數(shù)分別與逆變器容量成比例。設(shè)置負(fù)荷突變工況，仿真時(shí)間設(shè)置為1.5s。輸出有功功率和無(wú)功功率如圖4-6所示。(a)DG輸出有功功率(b)DG輸出無(wú)功功率圖4-6線路阻抗匹配時(shí)DG輸出功率由圖4-6可知，負(fù)荷突變前，DG1和DG2輸出的有功功率分別為6kW和3kW，輸出無(wú)功功率分別為和；負(fù)荷突變后，輸出的有功功率分別為和，輸出無(wú)功功率分別為和，負(fù)荷突變前后有功功率和無(wú)功功率之比均為。由上述數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)線路阻抗匹配時(shí)，有功功率和無(wú)功功率按比例分配。下面對(duì)線路阻抗與逆變器容量不匹配時(shí)加入虛擬復(fù)阻抗后DG輸出功率分配情況進(jìn)行仿真研究。假設(shè)DG容量之比為，線路電阻，線路電抗分別為，虛擬負(fù)電阻為，虛擬電感為。引入虛擬復(fù)阻抗前后DG輸出有功功率和無(wú)功功率的分配情況分別如圖4-7和圖4-8所示。(a)未引入虛擬復(fù)阻抗DG輸出有功功率(b)引入虛擬復(fù)阻抗DG輸出有功功率圖4-7引入虛擬復(fù)阻抗前后DG輸出有功功率圖4-7為DG輸出有功功率情況，負(fù)荷突變前，未引入虛擬復(fù)阻抗時(shí)DG1和DG2輸出有功功率之比，引入虛擬復(fù)阻抗后輸出有功功率之比為；負(fù)荷突變后，引入虛擬復(fù)阻抗前后輸出有功功率之比分別為和。由上述數(shù)據(jù)分析可知，引入虛擬復(fù)阻抗后實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功解耦，提高了下垂控制精度。(a)未引入虛擬復(fù)阻抗DG輸出無(wú)功功率(b)引入虛擬復(fù)阻抗DG輸出無(wú)功功率圖4-8引入虛擬復(fù)阻抗前后DG輸出無(wú)功功率圖4-8為DG輸出無(wú)功功率情況，負(fù)荷突變前，未引入虛擬復(fù)阻抗時(shí)DG1和DG2輸出無(wú)功功率之比，引入虛擬復(fù)阻抗后輸出無(wú)功功率之比為；負(fù)荷突變后，引入虛擬阻抗前后輸出無(wú)功功率之比分別為和。由以上述數(shù)據(jù)分析可知，虛擬復(fù)阻抗的引入提高了線路阻抗不匹配時(shí)DG輸出無(wú)功功率的分配精度。引入虛擬復(fù)阻抗前后母線電壓情況如圖4-9所示。(a)未引入虛擬復(fù)阻抗母線電壓(b)引入虛擬阻抗母線電壓圖4-9引入虛擬復(fù)阻抗前后母線電壓由圖4-9可知，在負(fù)載突變前，引入虛擬阻抗前后母線電壓值分別為和，母線電壓下降；負(fù)載突變后，引入虛擬阻抗前后母線電壓值分別為和，電壓下降為接近；這是由于虛擬阻抗上產(chǎn)生了大的壓降。由此看出虛擬復(fù)阻抗的引入在提高了功率分配精度的同時(shí)，母線電壓降落較大，影響了并網(wǎng)電壓電能質(zhì)量，在虛擬復(fù)阻抗控制下，DG輸出功率的分配精度和母線電壓電能質(zhì)量存在矛盾。自適應(yīng)改進(jìn)虛擬阻抗策略研究為了進(jìn)一步提高無(wú)功功率分配精度，并減少母線電壓降落，對(duì)虛擬復(fù)阻抗控制進(jìn)行自適應(yīng)改進(jìn)。首先對(duì)線路阻抗存在差異時(shí)逆變器輸出無(wú)功功率分配情況進(jìn)行進(jìn)一步分析。以兩臺(tái)逆變器并聯(lián)為例，假設(shè)逆變器容量相同，下垂控制系數(shù)相同，傳輸線路呈感性，兩臺(tái)逆變器所連接的線路阻抗不一致，輸出無(wú)功功率分配情況如圖4-10所示。由于線路電感不一致，兩臺(tái)DG的負(fù)荷輸出曲線斜率不同。DG2的線路電感值大于DG1，負(fù)荷輸出曲線斜率較大，輸出的端電壓較大，無(wú)功功率無(wú)法均勻分配。圖4-10線路阻抗不同時(shí)逆變器輸出無(wú)功功率分配情況為消除輸出阻抗差，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率均分，提出自適應(yīng)虛擬阻抗控制，自適應(yīng)虛擬阻抗表達(dá)式為： (4-33)式中，為無(wú)功積分系數(shù)，為中央控制器采集系統(tǒng)的負(fù)荷功率，并將總負(fù)荷功率按照逆變器容量比例分配給各個(gè)逆變器的控制器所得到。當(dāng)臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，假設(shè)系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷為，那么一臺(tái)逆變器無(wú)功參考功率為： (4-34)式中，為第臺(tái)逆變器的無(wú)功下垂控制系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)ADDINNE.Ref.{3C834B84-AA9C-4742-8679-0C6ADE46D9B6}[60]和本文提出的自適應(yīng)改進(jìn)方法，改進(jìn)虛擬阻抗后逆變器輸出參考電壓在dq坐標(biāo)系下的表達(dá)式為： (4-35)式中，和為勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)在d軸和q軸的分量，和分別為逆變器輸出參考電壓在d軸和q軸的分量。自適應(yīng)虛擬阻抗在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的控制框圖如圖4-11所示，虛擬復(fù)阻抗由自適應(yīng)虛擬阻抗來(lái)代替，自適應(yīng)虛擬電阻和自適應(yīng)虛擬電感表達(dá)式相同，由中央控制器計(jì)算并得到各臺(tái)逆變器輸出無(wú)功功率參考值，與實(shí)際輸出無(wú)功功率差值的積分來(lái)構(gòu)造自適應(yīng)虛擬阻抗，逆變器輸出電流流經(jīng)自適應(yīng)虛擬阻抗產(chǎn)生的電壓降落與勵(lì)