应用于直流电源逆变的虚拟同步机控制算法研究

Power System & Automation应用于直流电源逆变的虚拟同步机控制算法研究杨丰波，马宁宁，王德林，陈博，刘柳(西南交通大学电气工程学院， 成 610031)摘 要：直流电源逆变器具有低惯量、欠阻尼的缺点，惯性和阻尼的缺失会导致系统频率变化率过快、变化量过大的问题。针对上述问

题,提岀一种应用于直流 变器具有同步发

关键词：直流

变的虚拟同 (VSG)控制 $ 变 制中加入了有功频率和无功电压控制环节，逆的调频调压特性以及惯性和 &有功频率;无功电压;惯性;阻性。最后，在MATLAB/SimulinL中 建了一台10 kW的VSG 统。仿真结果表明，所提 负荷突变造成系统功率和频率的冲击和振荡，提高了系统的稳定性。&虚 同

DOI：10.3969/* i,. 1000 -3886.2020.01.024［中图分类号］TM46 ［文献标识码］A ［文章编号］1000 -3886(2020)01 -0084 -04Research on Control Algorithm for VirtualSynchinous Machines Appliod to DC Power InvertorsYang Fengbo, Mo Ningning, Wang Delin,Chen Bo,Lin Lu(College of Electrical Engir^ering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan. 610031 , China $Abstract: The DC powee inverter has such disadvvntaaes as low inertia and under-damping # and lack of inertia and damping might lead to a

higher frequencc fluctuation rate and laraes amount of fluctuation. Aiming at above mentioned problems, a virtual synchronous

machine ( VSG) control alaotthm applicable to the DC powet supple invertes was presented. Active frequencc control and reactive

veltaae control were added to inverter control so that the inverter might acquire frequenco and veltaae reeulation characteristics as well

as inertial and damping characters of the synchronous generatos. Finally, a 10 kW VSG system was built in MaOab/Simulink.

Simulation results showed that the proposed alaotthm cout reducc the impact and oscillation of system powes and frequenco caused by sudden load changes, thus improving the stability of the system.Keyword-: DC powes supply ； virtual synchronous machine; active frequenco; reactive veltaae; inertia; damping0引言目前,电网中分布式能源占有量逐渐提高，分布式发电能源

模型中设计了功频控制器和励磁控制器，实现了有功频率特性与 压 - 无功 性， 未 对 统 性的 $容,能单独控制有功无功，发

式灵活，

清洁，与 普遍采用

这针对以上问题，本文首先分析了 VSG基本原理，然后在考虑

分布式发

子

不断发展⑴。微网中的 构成的并网逆变器接入

装置网,虽然并转子惯量对系统输出特性的 对系统输出特性的

的基础上，进一步考对象，通过$以直流电源逆变器为

网逆变 制灵活、 不足〔一3)$速， 性、欠模拟同步发 子 性，提出应用于直流 变的VSG制 ， 计 有功 率和无功 压 制 ， 最后， MAT LAB/Simulink中搭建了一台10 kW的VSG系统来验证控制算法

有国内外学者提出虚拟同步机(virtual synchronous generatos，

VSG)

［4-6］，通模拟同步发

的转子运动惯性与机电暂性，以增加 统的虚的正确性。仿真结果表明，所提 负荷突变造成系统功性使并网逆变器具有同步发

率和频率的冲击和 ，提高 统的稳定性。性和 ，使分布式“ 制的基础上加入虚

”地接入电网。文献［4］无1 机控制的直流电源逆变系统VSG主电路及控制

功电压下 性控制策略，使微网子

的惯性，同步发

1.1 VSG主电路及控制框架图1所示的电气部分和控制部分成具有下垂特性的同时还具有类似于同步发 提高了微电网的频率稳定性，但未

的输出电压组成。电气部分:Uc为直流电压源；g1 ~g6构成三相逆变桥；L1

性。文献［5］从表征同步发

，

磁特性的电压方程和磁链和物理上的等效，并加入并与C1构成LC滤 分。控制部分：

，滤除三相逆变电压中的高频分量和

方程入手，同时考虑其机械旋转特性，提出了 Synchronverter的概

VSG与同步发

有功频率控制、无功电压控制和VSG：制的一次

成，使直流逆变器具有类似于同步发 压网同步控制,实现了无锁相环的离/并网切换$文献［6］在VSG$1.2虚拟同步机算法建模定稿日期：2019 -03 -0584 Electrical Automation用中，二阶同步发电机模型使用最为广泛。其中，____________________________________电力系统及其自动化Power System & Automation《电气自动化》2020年第42卷第1期zs电气部分pm\\! CD「+1%ZxgejZSg2)负载Jssin勿电E

解耦1D同步发电机转子机械特性方程II|SPWM gr-2 見Pe迥步发电机定子电压方程Spwm|勿电压解耦|Pm有功频率控制图2 VSG控制算法模型PLLVSG控制算法!控制部分「E无功电压控制。Q幅值

2虚拟同步机控制环节设计2.1 频率控制环节在目前的电力系统中，电网频率一般是通过调节有功功率来

um检测控制的，常用的控制 率下 制，这 成熟的控制原理图1 VSG主电路及控制框架同步发电机的三相定子电压方程可表示为:E^U+IRa +j IXs

以引入到直流 的有功-频率下

(1)变器的控制中(5)1263 $性，直图3表示同步发电机 斜率为同步发 发

的〔式中：(为励磁电动势；7为 压;I为电枢电流;R-差 。现定义同

为电枢电阻;X为同步电抗。同步发

的频率调差

的转子机械特性方程可表示为：为Rf$则有：式中：△% = %- %” ；%为电角速度;%.为同步电角速度;K为转动

式( 6) ：图3有功-频率下垂特性P-Pn

惯量;：为阻尼系数;A为机械转矩；A为电磁转矩。取同步发

对数为1，故

角速度与电角速度相等,这时式(2)可以进一步表示为：(7)R式中:P为同步发电机实际发出有功功率;P.为同步发电机额定

'有功功率;/为系统实际频率无为系统额定频率;\"为频率变化

量；\"P为有功功率变化量。d,r=lt为使微网逆变器具有同步发电机一次调频特性，现模拟同步 发电机有功-频率下

性，将P作为图2中虚拟同步发电机机式中:Pi为机械功率;Z为电磁功率;％为电角速度;%.为同步 电角速度汀为 量；：为 时功率理论可得：O =6亿 ；，为电角度。 相功率的给定值Pi,则有：P” =汪

⑻+Ubh +

Ue)e(4)由式\"8)可得有功-频率控制原理框图，如图4所示$式中：6-,叫，6)为逆变器输出三相相电压;,,,,ic为逆变器输出

三相相电流;Z为有功功率。f

式中：6-Y,6Y,6“为逆变器输出三相线电压；i ,,,,为逆变器输 出三相相电流;。为无功功率。据式\"1)、式(3)、式(4)建立虚拟同步发电机的控制算法

P”图4有功-频率控制原理框图图4中尤为系统额定频率，一般取为50 Hz,当系统实际频

模型如图2所。图2中， 压方程式(1)

率/与九存在不平衡时，会产生频率差\"，经过一次调频环节得

同步发电机转子机械特性方程式(3)计算出到虚拟同步发电机机械功率的给定值Pm ,以此实现频率的闭环 制$系统角速度％，进而得到电角度,，将由同步发电机的三相定子电

的虚拟同步发 压与 压值进2.2 电 控制类似于频率下垂控制，电网电压一般是通过调节无功功率来

行比较， 呦电压解耦 的电压 值，经过呦电压解耦 输出到SPWM调制器生成相应的逆变 冲信号， 制 ;关管的通断,3

控制的，常用的控制 直流

压下 制，同样将这种 入个VSG系统的闭 制。变器的控制中(5)12 $同 发电机无功-电压下垂Electrical Automation 85《电气自动化》2020年第42卷第1期电 其自动化Power System & Automation特性和图3类似,在此不再赘示，现定义同步发电机电压调差系 为Re。则有：有了惯性，因此功率变化曲线比较平滑，相比于下垂控制,VSG控

制下的逆变器功率变 500 W。约0.04 s；同时，由于 变器具有，有功功率的输出低于下垂控制下的有功功率输出约由式(9)可得:UV” +R( Q” ~Q)

在0.04 s前,系统有

(10)功功率平衡，逆变器输出 电压频率稳定在50 Hz；

12 000式中：Q为同步发电机实际发出无功功率；Qn为同步发电机额定 无功功率;U为逆变器输出三相相电压 值的幅值；U”为变

在0. 04 s时突加2 kW负 荷，由于率调差因数为

0.000 1,所以逆变器输出

器输出三相相电压幅值的给定值;\"为电压幅值变化量；\"Q为 无功功率变化量。参考同步发电机的无功-电压调节特性，由式(10)可得无

t 10 0009 0008 00011 000电压频率会下降0.2 Hz, 即 49. 8 Hz；在 0. 18 s 时

7 000功-电压控制原理框图，如图5所示。0 0.1 0.2t/s0.3突减4 kW负荷，逆变器

(a)逆变器输出有功功率输出电压频率会增加

0.4 Hz,即 50.2 Hz。由图 6

(b)可以看出：下

图5无功-电压控制原理框图制下的 变 输出 压 率变

值与理论值一样，但变

图5中，Qn为VSG在额定功率下的初始无功功率，一般令

Qn为0$ 统实际无功功率Q发生波动，与Qn存在不平衡几乎是瞬时的，这负荷频 繁切换的系统中，不利于系 统稳定；而VSG控制下的

时，产生无功功率差\"Q,会造成逆变桥输出电压的波动，为维持 逆变桥输出电压的稳定，将无功电压控制得到的电压值作为相电

变 于具有惯性，输出 电压频率曲线变化相对平 ,因为具有 ，输出

( b) 变 输出 压 率压幅值 值，与变桥输出 相电压的幅值Um作差，构成 电压环闭 制，经过PI环节后得到图2中 磁

E的幅图6不同控制算法值E $和频 响应12 00011 000电压频率变化量小于下3为验证本文所提出的应用于直流电源逆变的虚拟同步机控

制下的逆变器输出

电压频率变化值，约为制算法的正确性和有效性，在MATLAB/Simulink仿真平台上搭 0. 03 Hz,相比 之下，VSG W 1()000

建了一台10 kW的单独给负载供电的VSG直流 变系统。控制下的逆变器更有利 于系统稳定。VSG额定输出电压380 V/50 Hz,仿真系统在0.04 s前负荷为

10 kW；在0.04 s时突加2 kW负荷;在0.18 s时突减4 kW负荷，

3. 2 动惯量对逆 变器输出响应的影响仿真系统中分别

0. 3 s仿真结束。系统仿真 如表1所示$00.1 0.2

t/s表1 VSG系统仿真参数气直流 滤

值(a)逆变器输出有功功率压Uc/VL1/mH80012取 量J的值为0.15 kg • m2,0. 20 kg • m2

滤 容C1/ F3.650和0.30 kg • m2，同时保持D为10不变。

额定频率fn/Hz额定有功功5/kW率调差因数Rf压调差因数ReR-/QL/m100.000 10.000 20.050.1从图7 ( o)和图7 (b)中 以看出，

D不变时， 性也增大。统 量J(b)逆变器输出电压频率的增加，逆变具有的惯

负荷变 时， 变

图7不同转动惯量

相压值Un/V3113.1 VSG控制与下垂控制效果对比图6给出了下

制和VSG控制两种不同控制算法下逆变器输出的有功功率和电压有功功率和频率响应器输出有功功率和电压频率响应的仿真波形图。其中VSG控制

频率曲线随着J的增加变化率减小,波形更加平滑,功率和频率

中取转动惯量J为0. 20 kg - m2，阻尼系数：为350。由图6 ( o) 以看出，当负荷突变时，下

达到新的平衡的时间由J为0.15 kg • m2时的0. 1 s延长到J为

0.30kg • m2时的0.18 s,这样就减小了负荷变化时引起的功率和

制下的逆变器输出有功功率几；而VSG，制下的逆变 于具时变化的，波形

86 Electricai Automation频率振荡。____________________________________电力系统及其自动化Power System & Automation《电气自动化》2020年第42卷第1期3.3阻尼系数对逆变器输出响应的影响仿真系统中分别

由于逆变器具有了惯性，无功负荷和电压幅值变化比较平

滑；0. 04 s前，系统无功负荷为0，逆变器输出电压幅值为311 V；

0.04 s后，电压调差因数Rv为0. 000 2，当无功负荷变化3 500 var

取 D的值为10400和800,同时保 ?时，电压幅值理论上变化0.7 V,但由于阻尼系数的影响,无功负

量 K 为 0. 2 kg - m2

荷的变化量减小了 500 var,故电压幅值变化量减小了 0. 1 V,所

不变。从图8 ( a)和图8

(b)看出， K不变时，随量以在0.04 s时，电压幅值由311 V较小为310.4 V。在负荷频繁 切换的系统中，电压稳定性可以得到提高。D的增加，逆变器具有

4结本文设计了一种应用于直流电源逆变器的虚拟同步机控制

(a)逆变器输出有功功率的 性越明显。负荷变化时，逆算法,模拟同步发电机有功-频率与无功-电压 有功频率和无功电压控制

性，设计变器输出的有功功率和 压频率的变化量 ：

。在考虑转子惯量对系统输出进行 。仿D的增加 ，在特性的影响的基础上，进一步考虑了阻尼系数对系统输出特性的0. 04 s功率变化量由D n 为10时的2 000 W减小W

。最后，搭建 仿真模型，对所提控制

真结果表明，所提算法能减小负荷突变造成系统功率和频率的冲 击和振荡,提咼了系统的稳定性。参考文献：[1)杨新法，苏剑，吕志鹏，等.微电网技术综述[J].中国电机工程学报,

2014 ,34(1) ：57 -70.到D为800时的1 320

W,频率变化量由D为

10时的0. 2 Hz 7 到

D 为 800 时 0. 13 Hz，这

样在负荷频繁切换的系 统中，系统率稳定性

图8(b)逆变器输出电压频率[2 ]张玉治，张辉，贺大为，等.具有同步发电机特性的微电网逆变器控

制[J].电工技术学报,2014,29(7) :261 -268.提高，负荷变化时 I量得到改善。和频率响应[3 ]吕志鹏，盛万兴,钟庆昌，等.虚拟同步发电机及其在微电网中的应

用[J].中国电机工程学报,2014 ,34 (16) ：2591 -2603.[4 ] FANG G,IRAVAN【M R. A control strategy for a distabuted generation

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0.1

t/s4 500[5 ] ZHONG Q C, WEISS G. SynchronveXs: invegers teat mimie

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0.2

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(a)逆变器输出无功功率of microaad inveaer based on vimua1 synchronous generatvr [ J ]. Applied Mechanics and Mateaals, 2014 ( 529) : 496 - 500.0. 18 s时突减3 500 var无

功负荷，0.3 s结束。从图 9( a)和图9 ( b)可看出，【作者简介】杨丰波(1993 -),男，湖北人,硕士生，研究方向：电力系统频

率稳定。 王德林(1970 -),男，河南人，博士，副教授，博士生导师，研究 方向：频率稳定和风电调频。统无功负荷增加时, 变器输出电压幅值减小，反之，逆变器输出电压 值增加。 图 9(b)逆变器输出电压幅值【通信作者】马宁宁(1987 - ) #男，山东人，博士，研究方向：电力系统稳定

与控制。VSG逆变器输出无功电压响应0400400400400400400400400400400400400400400400400400400400400400400400400400♦ 0040040040040040040040040040040040040040040040040040040040040040040040040(上接第25页)[J].液压与气动,2015 ,39(9) : 77 -81；84.

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:机电一体化、

远程监控及故障诊断％Electrical Automation 87