基于电网接口虚拟同步发电机的控制方法研究
李治中*，哈立原
【摘 要】摘要：随着风电装备的大规模普及，作为风电系统接入电网的关键接口，并网逆变装置对电网系统的影响越来越显著。本文基于同步发电机数学模型，提出一种基于虚拟同步发电机原理VSG（Virtual Synchronous Generator）的等效功率平抑及频率补偿方法，通过110 kw风力发电机组的试验样机对该方法的有效性进行了试验验证，结果表明：虚拟同步发电机控制技术使得电网接口具有与同步发电机相同的优良控制性能，为电网系统提供稳定的惯性和阻尼，提高大规模风电并网系统的稳定性。 【期刊名称】电子器件 【年(卷),期】2016(039)002 【总页数】5
【关键词】风电系统；虚拟同步发电机；功率平抑；频率补偿；电网接口 随着国家对环保节能要求的不断提高，各行各业都在进行节能减排［1-2］，作为新兴的绿色节能产业，风力发电技术产业在世界范围内得到了广泛应用［3］。 为了促进风电系统的大规模普及，各国学者针对电网接口的静动态性能，展开大量研究，提出多种基于现代控制理论的控制策略，诸如间接和直接电流控制、直接功率控制以及模型预测控制等的控制策略［4-6］。虽然学者提出了多种接口控制方案，但仍然无法满足快速增长的智能化电网的需求。并网逆变装置以电力电子器件为核心部件，虽然对于风力发电系统的系统负荷功率需求能够快速响应，但缺少传统同步发电机的惯性和阻尼特性，容易导致电网系统出现失稳，并且无法主动管理配电网［7］。
基于上述问题，本文借鉴传统电力系统同步发电机的唯一频率特性，融合电源、电网、负荷三者之间的同步机制消除外界干扰，给出一种大规模风电装备VSG等效功率平抑及频率补偿方法，并基于110 kW的风力发电机组对本方法进行了试验验证分析。
1 电网接口虚拟同步发电机模型分析
将电网接口等效为虚拟同步发电机，如图1所示，虚拟同步发电机是参照同步发电机的二阶经典数学模型，模拟同步发电机阻抗大、惯性大、自同步等诸多优点，使逆变电源具有同步发电机的输出特性，满足电网的运行要求［8］： 假定励磁及机械转矩为恒定，以标幺值表示的同步发电机二阶经典模型如下所示：
式中：Ud为定子端电压的d轴分量；Uq为q轴定子端电压；id为d轴定子电流；iq为q轴定子电流；Ed为定子d轴瞬变电动势；Eq为定子q轴瞬变电动势；ra为定子各相绕组的电阻；Xq为q轴瞬变电抗；Xd为d轴瞬变电抗；Tm为机械转矩；Te为电磁转矩；D为定常阻尼系数；ω为同步电角速度；Tj为机组惯量时间常数；δ为q轴与xy坐标系中x轴之间的夹角。
式（1）中的电压方程和转矩方程分别表示同步发电机中定子的电气特性和转子的机械特性。假定Ed、Eq为常数，并忽略暂态凸极效应，即令： 则可将上式中的电压方程化为dq坐标下的复数量，即：
由式（1）、式（3）可得，电网接口电压方程与同步电机定子端电压方程大致相同，将图1中电网接口的电路特性参数等效为同步发电机的电路特性参数，图1为相应的虚拟同步发电机等效模型。
结合式（1）可以得到同步发电机转子运动方程如式（4）所示［9］：
式中：Tm为同步发电机机械转矩；Te为电磁转矩；Pm为同步发电机机械功率；Pe为同步发电机电磁功率；ω为同步发电机电气角速度；ωN为电网同步角速度；δ为同步发电机功角；J为同步发电机转动惯量。
2 电网接口虚拟同步发电机控制
为了实现电网接口与电网的主动交互，根据电网的频率、电压调节其电网系统的有功和无功功率，本文提出VSG控制模型，用于大规模风电系统电网接口。虚拟同步发电机的控制原理如图2所示。 2.1 虚拟调速器
由于VSG采用算法模拟同步发电机的特性，没有调速器等机械装置，在设计虚拟调速器时，需要借鉴发电机调速器原理为原则。基于传统的电力系统同步发电机频率-有功功率的调节原理，确保电网系统有功功率和有功负荷的合理分配，同时将频率维持在正常范围内。图3为电网接口虚拟同步发电机调速器的控制框图。
由VSG调速器控制框图可知：
式中：ωref为VSG的参考频率，Pref为VSG的调度有功功率，Kω为比例系数。
当系统稳态时，输入机械功率Pm与输出电磁功率Pe相等，则：
对比式（5）和式（6）可见，所设计的VSG与同步发电机有着相同的功频特性。
由式（6）可以得到：
由式（5）～式（7）可以得到带调速器的VSG功频特性曲线具有下垂特性，并且带有功率调度接口，当VSG输出功率为Pref时，频率为ωref。曲线斜率
基于电网接口虚拟同步发电机的控制方法研究
