0 引言

    分布式發(fā)電系統(tǒng)主要以采用兩種模式或者兩種模式間的相互切換運行；在分布式發(fā)電系統(tǒng)能量充足的情況下向電網(wǎng)傳送能量的并網(wǎng)運行模式及其在電網(wǎng)斷電、能量緊缺的情況下向重要負荷供電的孤島運行模式^[1]。如果兩運行模式之間的切換方式不當，會造成切換失敗，影響供電質量及損害分布式發(fā)電設備。文獻[2]采用的并網(wǎng)運行電流控制模式及其離網(wǎng)運行電壓控制模式，類似于文獻[3，4]使用的PQ及其V/f控制在不同運行模式下切換時需要改變相應的控制策略，加深了控制電路的復雜程度；文獻[1]在不增加系統(tǒng)復雜程度的前提下，提出基于加權控制的方法解決切換過程中的電壓電流過沖問題，卻存在加權值不易折中，參數(shù)敏感性太大的問題；文獻[5]采用下垂控制的方法有效地解決了控制策略的變換問題，可以同時適用于并/離網(wǎng)運行模式，但需準確地對下垂曲線進行移動和定位，離網(wǎng)運行狀態(tài)下存在較為嚴重的電壓降和頻率跌落的問題。

    文獻[6-8]提出的虛擬同步發(fā)電機的控制方法，在下垂控制的基礎上增加了虛擬慣性及其等效阻尼環(huán)節(jié)，有效地模擬了同步發(fā)電機的運行特性，能夠自主穩(wěn)定地在兩種運行模式之間進行相互切換；本文基于虛擬同步發(fā)電機(VSG)的控制方法，為使系統(tǒng)更加穩(wěn)定地適應于兩種運行模式及其相互之間的切換問題，改善了控制電路結構以及三相LCL濾波器的性能，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可方便地實現(xiàn)微網(wǎng)逆變器的多模式運行。

1 改進的VSG控制策略

    本文采用的系統(tǒng)加入了ω^*前饋量，改善其啟動特性；引入了一個頻率、相位閉環(huán)控制的環(huán)節(jié)使其與電網(wǎng)同步。

    改進后系統(tǒng)如圖1所示，其整體控制性能由參數(shù)J^*、K_ω、D^*共同決定，所提出的調頻方法使系統(tǒng)輸出頻率對功率波動和電網(wǎng)頻率波動以及電網(wǎng)相位波動均呈現(xiàn)一定的自調節(jié)特性，可以減緩外部擾動對輸出頻率的影響，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；相位自調節(jié)部分保證了系統(tǒng)與電網(wǎng)的同步，以減小并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)對電網(wǎng)的沖擊。

    如圖2所示為虛擬同步發(fā)電機的內(nèi)部控制框圖。

    其中，v為逆變器輸出端電壓；I_nabc為電感側輸出電流與同步發(fā)電機定子端電流i對應；輸出濾波器阻抗與同步發(fā)電機勵磁繞組的阻抗對應。

2 LCL濾波器的分析與改進

    傳統(tǒng)LCL濾波器在諧振頻率處具有較大的諧振尖峰，為有效地衰減系統(tǒng)的諧振尖峰，同時不增加系統(tǒng)控制的復雜程度，在系統(tǒng)中增加被動無源阻尼的方法，常見的處理方式為在LCL濾波器電容側并聯(lián)或者串聯(lián)阻尼電阻^[10]。

    系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

    當在濾波電容側串聯(lián)阻尼電阻R_r2時，LCL濾波器電容支路的KVL方程為：

    為了減小系統(tǒng)的阻尼損耗，取R_d1=1 000 Ω，R_d2=1 Ω。得到如圖3所示的幅頻特性。

    通過圖3可以看出，LCL濾波系統(tǒng)電容側增加阻尼電阻可以有效地減小系統(tǒng)的諧振尖峰，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從圖中可知，電容側串聯(lián)阻尼電阻具有更好的諧振尖峰抑制作用，但是系統(tǒng)的高頻抑制效果有所降低；電容側并聯(lián)阻尼電阻在減小系統(tǒng)的諧振尖峰的同時可以保持高頻抑制效果不變。

    并聯(lián)阻尼電阻的伯德圖如圖4所示，當并聯(lián)阻尼電阻越小時，系統(tǒng)的諧振尖峰抑制效果越好，但是太小的并聯(lián)阻尼電阻會引起較大的功率損耗；同時從圖中可以看出，當并聯(lián)阻尼電阻大于500 Ω之后，系統(tǒng)的諧振尖峰抑制效果差異并不是特別明顯。

    根據(jù)圖5所示，當串聯(lián)阻尼電阻越大時，系統(tǒng)的諧振尖峰抑制效果更好，高頻抑制能力也有略微的降低，但是太大的串聯(lián)阻尼電阻也會引起較大的功率損耗；從圖5中可以看出，當并聯(lián)阻尼電阻大于5 Ω之后，系統(tǒng)的諧振尖峰抑制效果差異并不明顯。

    綜合上述串、并聯(lián)阻尼電阻帶來的諧振尖峰抑制效果分析可知，兩種方法都具有較好的尖峰抑制效果，但是阻尼電阻大小的選取卻要受到尖峰抑制效果和功率損耗兩方面的考量，具體情況應具體分析，本文使用的是小功率系統(tǒng)，故這里采用的是并聯(lián)阻尼電阻的尖峰抑制方法。

3 仿真驗證

3.1 離網(wǎng)運行性能驗證

    為了驗證本文所采用控制方法及其濾波策略的有效性，在MATLAB/Simulink中進行了仿真實驗測試，具體參數(shù)設置如下：

    VSG的f₀為50 Hz，ω^*=100 π，設定P_ref為3 kW，Q_ref為1 kW，參考電壓幅值U_ref為311 V，慣性分量J^*為100，阻尼分量D^*為4 000，下垂系數(shù)K_ω為3 000，τ_ν取0.02 s，即D_q為160.70，K為1 009.70。電路采用LCL濾波并添設并聯(lián)無源阻尼電阻的方法以衰減諧振尖峰，濾波電感L₁為7 mH，與電感串聯(lián)的電阻R₁為0.5 Ω，濾波電容C為30 μF，與之并聯(lián)的電阻R_r1為1 000 Ω，進網(wǎng)側電感L₂為1 mH，與電感串聯(lián)R₂的電阻為0.5 Ω，系統(tǒng)呈星型連接。改進VSG與傳統(tǒng)VSG負載變化時頻率動態(tài)性能對比如圖6所示。

    通過圖6可知，改進VSG在啟動瞬間具有頻率波動范圍小、變化平滑的特點，有效地加強了系統(tǒng)的啟動特性，同時在負荷波動等情況下，具有輸出頻率波動小、變化平滑的優(yōu)點，可有效地保證并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)在離網(wǎng)運行模式下的高可靠性和穩(wěn)定性。

3.2 模式切換運行性能驗證

    為驗證本文所采用方法的可行性，針對VSG在并、離網(wǎng)兩種運行模式下的狀態(tài)分析做了如下仿真驗證：

    采用本文所提出的改進VSG控制方法，剛開始并網(wǎng)逆變器帶重要負載獨立運行，負荷為3 kW有功負荷；0.5 s時刻從獨立運行狀態(tài)切入電網(wǎng)進行并網(wǎng)運行，同時不間斷對重要負荷的供電；1.5 s時刻脫離電網(wǎng)，進行獨立模式運行。VSG進行模式切換時的運行情況如圖7所示。

    圖7中，i_a表示并網(wǎng)逆變器a相輸出電流，i_ga表示a相進網(wǎng)電流，i_oa表示并網(wǎng)逆變器負載上通過的a相電流。

    通過圖7可以看出，并網(wǎng)逆變器可以穩(wěn)定運行在兩種運行模式下，且當進行任意模式的切換時不需要進行復雜的控制策略變換，同時改進的LCL濾波器可以有效地幫助減小并網(wǎng)時刻輸入電流的沖擊問題。

    圖8、圖9分別為并網(wǎng)運行及并網(wǎng)運行下的頻譜分析。通過圖8、圖9 可以看出，并網(wǎng)逆變器兩種運行模式下都具有較小的總諧波畸變率，完全符合并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)要求，能有效降低并網(wǎng)時刻對電網(wǎng)的沖擊問題，具有正弦度較高，諧波干擾小的優(yōu)點。

4 結論

    本文采用虛擬同步發(fā)電機的控制方法，設計了虛擬勵磁及其功頻調節(jié)環(huán)節(jié)，增加了相位自調節(jié)功能以保證并網(wǎng)逆變器輸出電壓與電網(wǎng)保持同步。本文為增強VSG在并/離網(wǎng)運行狀態(tài)的穩(wěn)定性以及方便、無沖擊地實現(xiàn)兩種運行模式間的相互轉換，主要進行了如下的工作：

    (1)采用前饋參考角速度和增加自調頻控制環(huán)節(jié)有效地減小了微網(wǎng)逆變器負載在動態(tài)變化情況下的輸出頻率波動范圍，增強了系統(tǒng)的啟動特性及其穩(wěn)定性；

    (2)為有效抑制系統(tǒng)的諧振尖峰，減小外部環(huán)境對系統(tǒng)的影響，通過對LCL濾波器參數(shù)的分析與設計，添設了無源阻尼環(huán)節(jié)以增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小并網(wǎng)逆變器并入電網(wǎng)時刻的沖擊問題。

    通過MATLAB/Simulink的仿真分析，驗證了本文所采用方法的可行性，優(yōu)化了VSG在并/離網(wǎng)運行情況下的整體控制性能，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及抗干擾能力。

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作者信息:

郭筱瑛1，王嘉磊2，黎凡森2，陳顯東2，曹太強2

(1.攀枝花學院 電氣信息工程學院，四川 攀枝花617000；2.西華大學 電氣與電子信息學院，四川 成都610039)