虚拟同步发电机惯量阻尼协同自适应控制策略

2019年12月

哈尔滨理工大学学报

JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Vol. 24 No. 6 Dec. 2019

虚拟同步发电机惯量阻尼协同

自适应控制策略

颜景斌，杨晨，常龙龙，候晨

(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,哈尔滨150080)

摘要：针对常规的分布式发电控制技术没有类似同步发电机的惯性和阻尼特性，不能有效地 抵御微源投切时造成的频率突变问题。采用虚拟同步发电机（V SG)控制技术，首先研究了转动惯 量和阻尼系数对系统频率稳定性的关系，并设计了 一种转动惯量和阻尼系数协同自适应控制策略。 通过自动调节虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数，抑制了频率暂态响应过程中的超调，加快了暂 态响应速度，提升了系统运行的稳定性。最后，通过MATLAB/SIMULINK仿真验证了并网运行模 式下所提控制策略的有效性。

关键词：虚拟同步发电机;转动惯量；阻尼系数;协同自适应控制

DOI ： 10. 15938/j. jhust. 2019.06. 009中图分类号：TM464

文献标志码：A

文章编号：1007-2683(2019)06-0058-06

Inertia and Damping Collaborative Adaptive Control Strategy

of Virtual Synchronous Generator

YAN Jing-bin， YANG Chen, CHANG Long-long, HOU Chen

(School of Electrical and Electronic Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China)

Abstract ： Aiming at the problem of conventional distributed generation control technology that does not have the similarinertia and damping characteristics of synchronous generators, it can not teffectively resist frequency mutation caused by the micro-source switching. Based on virtual synchronous generator (VSG) control technique, first, the relationship between the inertia and the damping coefficient on the frequency stability of the system is studied, and aninertia and damping coefficient collaborative adaptive control strategy is designed. By automatically adjusting inertiaand damping coefficient of virtual synchronous generator, it can restrain the overshoot of frequency transient response, accelerate the transient response speed and improve the stability of the system. Finally, the effectiveness of the proposed control strategy in grid-connected operation mode is verified by MATLAB/SIMULINK simulation.

Key words ： virtual synchronous generator； inertia； damping coefficient； collaborative adaptive control

收稿日期：2018-01 -09基金项目：20

莫斯科国际科学技术中心科研项目.

作者简介：杨晨（ 1993—），男，硕士研究生；

常龙龙（1991 一），男，硕士研究生.

通信作者：颜景斌（1972—)，男，教授，硕士研究生导师，E-mail:yjbemail@ 163. com.

14-MHTU B- 1375

第6期颜景斌等:虚拟同步发电机惯量阻尼协同自适应控制策略

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〇引言

随着能源危机和环境问题的日益加剧，太阳能、 风能等新能源领域受到越来越广泛的关注和发展， 分布式可再生能源在电力系统的渗透率不断上升， 与此同时，传统的同步发电机装机比例逐渐降低，电 力系统中的旋转备用容量及转动惯量相对减少，这 对电网的安全稳定运行带来了严峻挑战而且 并网逆变器控制策略各异，加之分布式电源输出功 率具有波动性、随机性等特点,很难实现分布式电源 的友好接人并提高电力系统稳定性[3]。

一般地，分布式可再生能源主要通过并网逆变 器接人电网，相比传统同步发电机来说具有控制灵 活、响应迅速等优点，但也存在惯性和阻尼不足等缺 点[4_5]。为了解决上述问题，国内外学者提出了虚 拟同步发电机（virtual synchronous generator, VSG) 技术[6-11]，基于电力电子并网逆变器的分布式发电 系统中，通过先进的控制算法和合理的储能环节，使 基于并网逆变器的分布式电源模拟或者部分模拟同 步发电机的惯性、阻尼特性和调频调压特性，从而改 善分布式发电系统的稳定性。VISMA[ 121 (virtual

synchronous machine)是VSG的一种实现方式，该控

制技术模拟同步发电机特性去控制逆变器的输出电 流,使逆变器表现为受控电流源。同步变流器「13]

(synchronverter)是VSG的另一种实现方式，该控制 技术模拟同步发电机特性去控制逆变器的输出电 压,使逆变器表现为受控电压源。当前的电力系统 还是以电压源为主导，因此本文着重介绍按电压源 运行的具有同步发电机特性的相关逆变器技术。

在传统的电力系统中，系统电压、频率的调节与 同步发电机的转动惯量和调频调压特性有关。但是 VSG对频率和输出功率波动的承受能力远不及同 步发电机，对于新能源输人侧发生大的功率波动时， VSG的频率也会发生波动，过大的频率超调则会给 系统带来严重危害。因此，在针对电网频率抖动等 不稳定因素时，文[14 - 15]提出了一种根据VSG虚 拟角加速度和角速度偏差的变化选择合适的转子惯 量来适应实际应用环境，此方法与传统固定不变的 转子惯量相比，有效地减小了功率暂态响应过程中 的频率超调。但是上述文献未考虑阻尼系数对频率 稳定的影响，文[16]结合力学原理证明了转动惯量 自适应变化的可行性，有效考虑了阻尼系数对频率 稳定的作用，并提出了转动惯量和阻尼系数交错控

制的自适应算法,进一步提高系统的稳定性。

为了更好地应对分布式可再生能源的随机性、 波动性对系统频率造成的不利影响，本文利用转动 惯量和阻尼系数灵活可调的优势，综合考虑频率响 应速度、频率偏移峰值、调整时间等暂态响应指标， 设计了一种转动惯量和阻尼系数协同自适应控制策 略，并给出转动惯量和阻尼系数协同自适应控制的 数学表达式，最终实现了转动惯量和阻尼系数对频

率稳定性的控制。最后，利用MATLAB/SIMULINK 仿真对比，结果证明了所提控制策略的有效性。

1 VSG的基本原理

VSG的主电路拓扑如图1所示。

Fig. 1 Topology of the VSG

图i中，匕为等效直流电压源，代替传统电网 中的原动机；

= [»/a Kb

为VSG输出电

压;L = U ~ UT为VSG输出电流;Q1~Q6为

IGBT开关管;逆变器侧电感Lf、滤波电容C和网侧

电感构成LCL型滤波器;、is分别为线路电阻 和电感。

根据同步发电机转子电^系可以得到：

e = sin0 ( 1 )

VSG输出有功及无功表¥为

Pe = < i,sin^ > (2)Q - wMiif < i,cosd >

(3)

式中：

_ sin 汐

cos沒

sin〇 =

si十

—|

甘)

； COS0 =

COS 卜-手1T)sin 卜 + 了ttJ

COS(0 + 夺 TT)

= k L]T为三相定子相电流;e = eb eJT

为三相感应电动势;A为虚拟同步发电机发出的有 功功率;为虚拟同步发电机发出的无功功率;0为 感应电动势的相位角；w为转子角速度；A/f为励磁 绕组和三相定子线圈之间最大的互感…为转子励

60哈尔滨理工大学学报第24卷

磁电流；< •，•>为传统的点积运算。

VSG的有功功率环模拟了同步发电机的惯性 和调频特性，其数学方程为：

d/

H

6 = 1 wdt (5)

式中为虚拟同步发电机有功功率给定值;•/为 虚拟同步发电机的转动惯量为转子额定角速 度;％为有功-频率下垂（阻尼）系数;该方程就是 电力系统中广为人知的摇摆方程。

VSG的无功功率环模拟了同步发电机的调压 特性，其数学方程为：

式中为虚拟同步发电机无功功率给定值;〇q为 无功-电压下垂系数；h为额定电压幅值；V为虚 拟同步发电机输出电压幅值。

以上所有方程一起构成了图2所示包含同步发 电机相关特性的VSG数学模型。

值得一提的是,VSG控制技术的功率环也可以 看成是在传统逆变器下垂控制技术[^19]基础上进 一步模拟了同步发电机的频率和励磁调节特性。

最终,VSG感应电动势e送人电压电流双环控 制环节，通过SVPWM调制器得到逆变器开关管的 驱动信号，进而得到逆变器输出的三相对称电压。

2自适应参数协同控制

分布式发电系统在实际运行中，由于新能源具

有很大的随机性和波动性，导致系统频率频繁发生 抖动，对电网的安全稳定运行造成一定威胁。而传 统的同步发电机具有较大的转动惯量，能够不断调 整转子动能来维持系统频率稳定。所以模拟同步发

电机频率控制特性的VSG控制技术，也具有一定的 转动惯量来调节频率。

当并网逆变器的给定有功功率增大时，系 统频率会发生振荡，而振荡的超调量和调整时间是 判断系统频率稳定性的关键指标[16]。由同步发电

机的功角特性可知，当给定功率发生变化时，功角会 发生重复的衰减振荡。为了更形象的反映出这一振

荡过程，在转动惯量和阻尼系数恒定时，图3给出了 某一时刻增大后转子角速度变化率和角速度偏 差的变化曲线。为了更容易分析，将第一个振荡周 期分为4个区间（分别记为序号1，2,3,4)。在区间 1内，VSG的转子角速度w已经大于额定转子角速 度

，而转子角速度变化率dw/dt >0,〇>在此区间 逐渐增大，因此需要较大的转动惯量来抑制转子角 速度的增加，以防止转子角速度增加过快造成更大 的振荡超调。在区间2内，VSG的转子角速度w依 然大于额定转子角速度wN，而转子角速度变化率

dw/di <0,〇>在此区间逐渐减小，此时宜采用较小的

转动惯量。因为小的转子转动惯量可使转子角速度 变化加快，从而使转子角速度〇>快速趋于额定转子 角速度。同理，在区间3和区间4内也是根据

dw/dt和Ao>变化情况来分析各自需要的转动惯

量，以便调整频率变化。

r

rPB JVIP/3P0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

t/s

(a)转子角速度变化率

L

11. ^ i-J 1 I__________,__________|__________0.6 0.7 0.8 0.9 1

t/s

(h)角速度偏差变化曲线

图3

暂态过程中转子角速度变化率和角速度

偏差的变化曲线

Fig. 3 The change curve of rotor angular velocity

and frequency deviation in transient process

第6期颜景斌等:虚拟同步发电机惯量阻尼协同自适应控制策略

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综上所知，转动惯量的大小是由VSG的转子角 速度变化率do>/di和角速度偏差Aw共同决定的， 具体关系如表1所示。从表1可以看出，当和

dw/ch同号时增大转动惯量，异号时减小转动惯量。

表1

不同区间的转动惯量

Tab. 1

Rotor inertia of diffenent interval

区间序号

Aco/At

Aw ( dco/ di)

J1>0>0>0增大2>0<0<0减小3<0<0>0增大4

<0

>0

<0

减小

对于虚拟同步发电机来说，由于转动惯量和阻 尼的引入，使基于虚拟同步发电机控制的并网逆变

器具有了传统同步发电机的惯性和阻尼特性。虽说 引人惯量能为系统带来明显的频率支撑，但不可避 免的使系统动态响应变慢，调整时间变长。实际上， 阻尼对系统频率的振荡也具有较大的抑制作用[2°]。 图4、5分别给出了虚拟同步发电机在不同转动惯量 和不同阻尼下的频率变化曲线。

图4不同转动惯量的频率变化曲线

Fig. 4 The frequency curve of different inertia

图5

不同阻尼的频率变化曲线

Fig. 5 The frequency curve of different damping

由图4、5可知，转动惯量主要影响频率的超调， 阻尼主要影响频率的衰减速率。为了详细分析转动 惯量和阻尼分别对频率稳定的影响，将频率的性能 指标分为响应速度、频率超调量、调节时间、峰值时

间。故转动惯量和阻尼系数增大时与频率性能指标

的关系如表2所示。

表2

转动惯量和阻尼对频率稳定的影响

Tab. 2 Influence of inertia and damping

on frequency stability

频率性能指标

•/增大，增大响应速度变小几乎无影响频率超调量变小变小调整时间变大几乎无影响峰值时间

变大

变小

对这几个频率性能指标都有影响。而阻尼系数增大 时，可以认为只对频率超调量和峰值时间有影响。 阻尼系数变化对频率的优化作用分为两点：一是阻 尼系数增大时频率超调量变小，对进一步减小超调 是很有利的。二是阻尼系数增大时峰值时间变小， 会相应减小转动惯量增大时的峰值时间，使频率快 速趋于额定值，总体提高了快速性和稳定性。

因此,为了使VSG在分布式能源投切或者扰动 过程中能够不断调节惯量和阻尼来衰减振荡幅度， 又能在频率调节中获得较好的动态响应，快速渡过 暂态过程。在保证电力系统安全稳定运行的前提 下，综合分布式新能源发电的整体要求以及响应特 性，设计了一种自适应调节虚拟同步发电机转动惯 量和阻尼系数的方法，该方法中转动惯量和阻尼系 数表达式如式(7)、（8)所示。

Jodw

dt

(7)

\\j〇 +Aw da>d&

)I Aw I dtd7

D..

r

D01 Aw I ^ CD

^〇2Mia«i-cd) |Aw| >c〇

(8)

其中:•/〇、〇。分别为转动惯量、阻尼系数的稳态值;幻 和蚝分别为转动惯量和阻尼系数的自适应调节系

数;G为转子角速度变化率的阈值，避免了频率小 范围内波动造成•/值的频繁变化为角频率差值 的阈值，以便判断％是否变化。

系数竓通过搭建控制系统的小信号模型， 分析其稳定性并综合考虑系统对于暂态响应超调和 调节时间的要求灵活取值。限于篇幅，复杂的理论 推导不再赘述，参考相关文[15-16]。转动惯量和 阻尼系数在频率波动时采取协同控制。在式（7) 中，转动惯量在角速度变化率和角速度偏差同号时

62哈尔滨理工大学学报

第24卷

增大，异号时减小。在公式（8)中，阻尼系数采用非 线性指数函数表达式，相比于传统线性函数表达式 的优点是阻尼系数的取值根据（I Awl -CD)的大小 来变化，当（I Aw I - CD)值越小，系统需要的Dp越 小，当（IAd-Cu)值越大，系统需要的Z)p更大，进 而来调节频率变化。

3仿真分析

为验证上文提出控制策略的准确有效性，本文 基于Matlab/Simulink仿真软件，搭建了图丨所示的 单机VSG并网系统，相关参数见表3。

表3 VSG仿真主要参数

Tab. 3 The key parameters of the VSG

参数

数值

参数

数值

直流电压V&/V700y〇/(kg-m2)

0.04电网线电压/V381D0/( N*m*s/rad)

5额定频率/q/hz

500.005WN/rad,s 一 1

3140.5

L/mU

3.5Cj5C/^F

12C〇0.3

L(/ mH

0.7

并网VSG在运行0. 6 s时给定有功功率，由 10 kW突增到15 kW,在频率和功率动态响应下，将本 研究提出的惯量阻尼协同自适应控制与转动惯量自

适应控制文[15]和惯量阻尼交错控制文[16]作进一 步的对比/和广的变化曲线分别为图6、7所示。

图6 />se,增加时的频率比较

Fig. 6 Frequency comparison of 尸set raise

如图6所示，当增加时，与转动惯量自适应 控制相比惯量阻尼交错控制加快了最大峰值下降调 整速度，减少了调整时间。然而惯量阻尼协同自适 应控制相比于交错控制，进一步减少约0. 1 Hz的频 率超调，而且加快频率稳定，整体减少了约0. 1 S的 振荡时间。

x 104

r

------------------------一 j自适应控制

---J和£»交错控制 /^1

^协同控制

0.5 0.6

0.7

0.8

0.9

1

t/s

图7 /^，增加时的广比较

Fig. 7 Pe comparison of raise

图7所示，当增加时，与转动惯量自适应适 应控制相比惯量阻尼交错控制的VSG输出的有功 功率超调较小;与上述两种控制相比之下，本文提出 的惯量阻尼协同控制不但超调更小，而且具有快速

到达稳定的优势。

从以上比较中，可以看到本文提出的惯量阻尼 协同自适应控制策略在功率突增时的优化调节作 用。为了进一步验证惯量阻尼协同自适应控制策略

的有效性,本文给出了三种控制在给定有功由10 kw 减小到5 kW时/和坟的变化曲线，分別为图8、9 所示。从图8、9中，可以明显看到惯量阻尼协同自 适应控制在频率和功率暂态响应中抑制了超调，加 快了暂态响应速度,总体提升了系统的稳定性。

50N^ 49.8

49.6

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

t/s

图8 Pset减小时的频率比较

Fig. 8

Frequency comparison of

decrease

10

x 103

8

0.5

0.6

0.7

t/&0.8 0.9 1

图9 Pset减小时的广比较

Fig. 9 Pe comparison of Pse{ decrease

第6期

颜景斌等:虚拟同步发电机惯量阻尼协同自适应控制策略

63

综上可以看出，当采用本文提出的惯量阻尼协 同自适应控制策略时,将根据全局的扰动情况对频 率进行调节，减小频率超调，加快稳定的调整速度， 改善频率动态响应过程，提升频率稳定性。同时，对

VSG输出的有功功率的振荡也具有优化调节作用。4

结论

随着分布式新能源渗透率的不断提升，传统控 制方法中转动惯量固定时不能有效抑制频率超调， 而且动态响应速度较慢，导致系统的稳定性不断恶 化。本文在虚拟同步发电机控制技术基础上提出了 一种惯量阻尼协同自适应控制方法。

1)

通过仿真具体分析转动惯量和阻尼系数对

频率稳定的影响，得出转动惯量和阻尼系数自适应 变化对频率调节有改善的作用。

2)

转动惯量和阻尼系数协同自适应变化的控

制是在传统转动惯量自适应的基础上，考虑阻尼系 数对频率稳定的作用，提高了系统的整体动态响应 速度。

3)

对VSG并网仿真验证,结果表明惯量阻尼协 同自适应控制相比于交错控制，进一步改善频率的 调节作用，加快了暂态响应速度，快速到达稳定 状态。

本文只是对单台VSG进行分析及验证，对于多 机系统功率扰动的频率动态响应，需要进一步深人 分析。参考文献：

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(编辑：王萍）