基于虚拟同步发电机技术的无缝切换控制策略

陈 银，陈 财，秦晓佳，都小利，于 传

(1.国网安徽省电力有限公司培训中心，安徽 合肥 230022；2.安徽电气工程职业技术学院，安徽 合肥 230051)

0 引言

随着全球能源短缺和环境污染等问题的日益严重，分布式能源如光伏、风电等由于其清洁高效受到了越来越多的关注，也得到了大力的发展。微网可以将分布式能源、储能装置、负载等有机整合在一起，是智能电网的重要组成部分，在降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性等方面具有巨大潜力[1,2]。储能逆变器是微网中重要的组成部分，储能逆变器直流侧接蓄电池，交流侧接电网或负载，利用储能逆变器可以增加微网系统惯性和抗扰性，消减分布式能源的间歇性对系统稳定性的影响[3,4]，研究微网采用储能逆变器的控制具有重要意义。

此外微网中要求储能逆变器不仅能够并网充放电运行，也能够在离网状态下为负荷提供稳定的电网支撑，而为了保证并网转离网过程中本地负载的供电质量不受影响，就需要实现并网转离网的无缝切换，传统的方法是储能逆变器并网时采用PQ控制，离网时采用VF控制的方法[5]，但是该方法在切换时波形有畸变，且难以实现多台储能逆变器并联无缝切换。

针对上述问题，本文采用一种基于虚拟同步发电机技术的储能逆变器控制方法，使得储能逆变器从外特性上模拟出同步发电机的输出特性，具备惯性模拟、调频、调压等功能，另外提出了一种并离网无缝切换控制策略，实现了储能逆变器并、离网状态的自动平滑切换，最后搭建了两台额定功率500kW储能逆变器并联的微网实验平台，实验结果验证了虚拟同步发电机控制方法以及无缝切换控制策略的有效性。

1 虚拟同步发电机控制方法

电力系统频率的调节变化过程表现为同步发电机的输入机械功率与输出电磁功率间的变化和过渡过程。当系统有功负荷变化引起输入机械功率和输出电磁功率不平衡时，由于同步发电机的机械惯性和阻尼作用，频率较慢的发生变化。原动机根据频率偏移量调节调速器，改变发电机的输入机械功率，进而改变转子转速达到改变输出频率的目的，这是一次调频。一次调频是根据负荷变化自动完成的有差调节过程。

用人工调度的方式或自动调频装置去改变指定的同步发电机输出有功功率，将频率最终调节到要求的范围内，即二次调频。二次调频可以实现无误差调节，主要针对负荷，变化比较大，变化周期较长的频率偏移。

同步电机电压的变化及调节过程具体表现为系统无功负荷变化及同步发电机励磁调节过程。在组感性无功负载时，随着无功功率的增大，定子输出电压逐渐降低，此时需要增大励磁电流加大励磁电势，以提高输出电压；在带容性无功负载时，随着无功功率的增大，定子输出电压逐渐增大，此时应减小励磁电流降低励磁电势，以降低输出电压。

虚拟同步电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)就是借助适当的控制算法把双向逆变器从外特性上模拟或部分模拟同步发电机的输出特性，使双向逆变器对外等效为同步发电机。具备惯性模拟、调频、调压功能。图1为本文采用的VSG技术控制算法框图。

图1 虚拟同步发电机技术控制算法框图

为模拟同步发电机的一次调频特性，虚拟一次调频的功率给定Pdroop为：

(1)

式中m为虚拟的一次调频下垂系数，ω0为额定电网频率，ω为储能逆变器实际采样频率，由式(1)可知，当电网频率小于额定功率时，储能逆变器输出有功，当电网频率大于额定频率时，储能逆变器吸收有功。

二次调频目的是通过主动改变发电机组有功功率，把偏移的频率拉回到额定范围内。可以虚拟一个有功功率参考值Pref，作为主动调节的有功功率指令，将虚拟一次调频和二次调频叠加得到虚拟有功功率指令Pm，如式(2)所示，其物理意义相当于同步发电机转子轴上输入的机械功率，作为输出电磁功率的跟随目标值。

(2)

当VSG的输出功率波动时，VSG会吸收或发出功率，转动惯量可以平缓频率的变化过程，提高频率稳定性。转动惯量可以通过一阶惯性系统进行模拟，时间常数就是惯量与额定角频率的乘积，如式(3)所示，式中P为储能逆变器采样计算得到的实际有功功率。

(3)

电压调节控制如(4)所示，式中U0为额定电压，n为无功下垂系数，Qref为无功功率指令值，Q为实际无功功率值。

Uref=U0+n(Qref-Q)

(4)

采用上述VSG控制算法，可以使储能逆变器具备同步电机的特性，从电网角度看储能逆变器等效于受控电压源，既可以并网运行，也可以离网运行，同时实现主动有功、无功的吸收或发送，抑制频率和电压偏差，改善供电品质。

2 基于VSG的无缝切换控制策略

图2为基于两台储能逆变器并联组成的微网系统，系统中还包含有蓄电池、本地负荷以及能量管理柜，两台储能逆变器并联后通过能量管理柜中的公共耦合点(Point of Common Coupling，PCC)开关K与外电网相连。当K闭合时，储能逆变器并网运行，由外电网给负荷供电；当K断开时，储能逆变器离网运行给负荷供电，本文提出一种控制策略，可以实现储能逆变器并离网无缝切换，保证负荷不断电。

当外电网有电，开关K闭合，储能逆变器并网运行，此时若电网突然掉电，由于储能逆变器采用VSG控制模式，具有同步发电机的电压源特性，离网时可以无缝给负荷供电，能量管理柜检测到离网后控制开关K断开。

图2 基于储能逆变器并联组成的微网系统拓扑图

当电网重新来电时，由于此时储能逆变器离网运行，其输出的电压幅值和相位与外电网可能存在一定的偏差，此时若直接闭合开关K，则会产生过大的电流冲击，严重时可能会导致储能逆变器故障停机，造成离网转并网失败，因此离网转并网必须要经过一个预同步的过程。

具体方法为：能量管理柜将电网电压的幅值及频率通过通讯发送给两台储能逆变器，储能逆变器接收到电网信息后通过小步长累加的方法，如式(5)所示，逐渐将自身输出电压幅值和频率调整到与电网一致，同时能量管理柜检测开关K两端的电压信息，当电网和储能逆变器的电压幅值和相位基本一致时闭合K，从而保证了离网到并网的无冲击切换。

(5)

3 实验分析

为了验证本文提出的基于VSG储能逆变器及并离网无缝切换控制策略的有效性，搭建了两台额定功率500kW储能逆变器并联的微网实验平台，其中用电负荷用一台500kW可调电阻负载箱来模拟。

图3为并网转离网实验波形，其中示波器1通道为储能逆变器输出电压，2通道为电网电压，3通道为负载电流，由图3可以看出，在电网掉电瞬间，储能逆变器输出电压无变化，负载电流无畸变，说明实现了并网到离网的无缝切换，保证了负载不断电。

图4为离网转并网的同期过程实验波形。其中示波器1通道为电网电压，2通道为储能逆变器输出电压，3通道为储能逆变器输出电流，4通道为电网电流，可以看出并网转离网过程中，初期储能逆变器输出电压和电网电压存在幅值和相位差，经过同期过程的调整，幅值和相位差逐渐减小，当储能逆变器输出电压和电网电压几乎完全重合时开关K闭合，此时的电流冲击很小，实现了离网到并网的平滑切换。实验结果验证了并离网无缝切换控制策略的有效性。

图3 并网转离网

图4 离网转并网

4 结论

针对微网系统中要求储能逆变器不仅能够并网充放电运行，也能够在离网状态下为负荷提供稳定的电网支撑，且同时需要实现并网转离网的无缝切换，本文采用一种基于虚拟同步发电机技术的储能逆变器控制方法，使得储能逆变器从外特性上模拟出同步发电机的输出特性，等效于受控电压源，并具备惯性模拟、调频、调压等功能，很好的满足了储能逆变器并网和离网运行需求。此外提出了一种并离网无缝切换控制策略，实现了储能逆变器并、离网状态的自动平滑切换，最后搭建了两台额定功率500kW储能逆变器并联的微网实验平台，实验结果验证了虚拟同步发电机控制方法以及无缝切换控制策略的有效性。