同步控制逆变电源并网预同步过程的研究

珠海兴业新能源科技有限公司 刘海鹏

同步控制逆变电源并网预同步过程的研究

珠海兴业新能源科技有限公司 刘海鹏

【摘要】现如今，光伏发电已经逐渐成为新能源发电主流能源利用型式，光伏发电普遍以分布式型式接入电源，考虑到太阳能地域分布、辐射量时间分布不均，且随着分布式电源渗透率的不断提高，传统同步发电机已经不能满足光伏电力系统的接入需求。本文希望采用并网同步控制逆变电源与负荷共同组成微电网，探讨基于下垂控制特性的逆变电源并网预同步控制过程，最后介绍了基于VSG微电网逆变器的逆变电源并网预同步控制策略。

【关键词】预同步控制；逆变电源；控制；VSG；下垂特性；微电网

微电网其本质是由多个微电源与负荷所共同组成的集合型系统，它具备孤岛与联网两种工作模式，被称为分布式发电领域的重要分支。在微电网所构成的体系中，大部分电源都是通过逆变器作为接口接入设备的，所以对微电网而言，对逆变器的高质量控制是相当必要的。

一、微电网中逆变电源的控制

（一）逆变器控制

微电网中对逆变器的控制分为两种：幅频控制和功率控制。其中功率控制依据电流源模式展开控制，它依靠控制逆变电源所输出的d、q两轴电流来做到对电网输出有功、无功功率的控制，这种方法高效且简易，已经被广泛应用于微电网的联网运行模式中。所以说，微电网的孤岛运行是基于多个分布式电源并联来实现供电的，由于没有大电网对它的电压及频率提供电力支撑，所以它必须通过若干个发电电源来作为系统的幅频控制节点，达到确保母线电压幅值及频率的共同稳定。本文所探讨的同步控制逆变电源是基于下垂特性理论展开的，依据这一特性，逆变电源能够实现自动决定所输出电压的幅值及频率，这里综合借鉴了电力系统中“有功调频、无功调压”的调节理念，再经过对逆变电源的输出电压、电流检测信息来实现最终的系统电压稳定供应，最后达到功率均分。

（二）VSG控制

由于在下垂控制理论下的逆变电源相比于传统同步发电设备在惯量上表现较为薄弱，所以它对电力系统机械的惯性贡献也更小，这就使电力系统的电压与频率稳定性趋于劣势。另外，现有分布式电源的并网接口形式较为多样，而且控制策略也相对繁琐，这也使许多电力上网动态模型难以达到模式统一，让电力系统中某些较为成熟的调控技术无法正常发挥，所以基于此问题，业界就研究了围绕虚拟同步理念所设计的VSG（virtual synchronous generator）发电机，它以电力电子逆变器的并网分布式发电系统来建设，并配备了电能储能环节，通过并网逆变电源控制算法来实现对同步发电机的并网预同步过程，即VSG控制。

因为在VSG发电机中，锁相环测量与合闸开关动作是存在误差的，所以必须在逆变电源中接入微电网，并着手解决其频率、相位完全同步的问题。所以本文提出在非理想并网合闸条件下，基于微小频率差来降低合闸开关动作误差。因此同步控制逆变电源在并入微电网以后就会出现相位同步及追踪过程，这一过程也被称为并网预同步过程［1］。

二、以下垂控制为核心的逆变电源并网预同步控制过程

预同步发电机的理想并联合闸条件就是在各发电机输出段电压幅值、相序、相位及频率都相同时，判断并满足逆变电源的并网预同步控制过程。利用预同步控制可以调节同步发电机中的励磁电流，并使二者电压幅值相同。如果电压与相序相同却频率不同时，还可以基于相量图机组电压来实现对发电机的控制。而如果频率相等，相位差固定不变，此时相位是无法进行调节的，这就说明了在合闸后的瞬时电压还是存在一定偏差的。所以对预同步发电机而言，正是这种电压差的存在才出现了自整步功能，让发电机能够实现并网预同步过程。

（一）频差电压的计算

假设逆变电源母线为D相电压，就有：

如果并入逆变电源与母线的电压幅值和相序都一致，而频率方面仅存在较小偏差，则可以定义频差电压为：

（二）基于下垂的预同步控制

考虑到逆变电源合闸开关动作时间是存在一定误差的，所以要在假设误差时间之后，假定所完成的合闸时刻待并入电源频率＞发电机频率，电压幅值相等。基于此，当合闸完成后，电压之间就会出现相角差，因此预同步过程也会使得相角差逐渐减小，而VGS发电机由于惯性其频率也会处于缓慢增加状态。当相角差足够小时，基于下垂控制计算的逆变电源频率就会发生快速变化。当相角差为0时，逆变电源与电压之间会处于不相等状态，此时相角差就会再次被反向来开。所以整体来看，基于下垂控制的逆变电源频率变化幅度是相当剧烈的，如图1所示［2］。

图1 预同步逆变电源的同步控制示意图

三、基于VSG的逆变电源并网预同步控制策略

VSG具备两种特性：同步发电机定子电气特性和引入虚拟转子轴的转子特性，所以基于同步发电机的调速理论来引入虚拟调速概念是可行的。这里利用到了P/f功率调节下垂特性，并基于同步发电机励磁机理来引入虚拟励磁概念。这其中包括对输出电压的控制、以Q/E下垂特性为主的电压调节以及由电源输出电压幅值计算为主的无功功率目标值输出等等。

如果忽略发电机的自身损耗，就可以得到图2中基于VSG控制的基本框架示意图，如图2所示。

图2 基于VSG控制理念的框架示意图

如图2所示，在引入虚拟转轴后，逆变电源中的电机转子在加减速方面就会得到系统指令，令内电势频率发生一定惯性变化。而对于电压幅值来说，VSG的控制会让虚拟励磁装置在转子绕组方面产生一定电气惯量，从而限制内电势幅值的突变，这让基于VSG控制的逆变电源产生了惯量。

另一方面，在同步控制逆变电源的并网预同步过程中，它的运行频率应该为f，所以要根据下垂线找出原动机指令并得出Pm1＜0这一结论后再完成合闸，此时的相角差＞0，且VSG输出电磁功率＞0。根据虚拟轴系运动方程可以得到以下结论，当VSG虚拟轴上受到制动性质的转矩使虚拟转子减速运行时，同步发电机转子将会加速运行。考虑到该系统存在较大惯性，所以当VSG与同步发电机频率首次相同时，它的相角差一定不会为0，而VSG则会继续减速直到最小值，随后再加速。同

时，同步发电机转子其转速也会发生相同变化，在如此运行往复后，VSG会最终稳定运行于某一点，使转子频率与同步发电机完全相等，此时，预同步过程就宣告全部完成［3］。

四、总结

根据本文论述可知，基于VSG控制的同步发电机、逆变电源之间是存在许多相似特性的，它们都利用到了下垂特性，并通过虚拟调速系统作用在虚拟转子轴系上完成对发电机中内电势频率的控制，很好的限制了内电势可能发生的频率突变与幅值突变现象。另外，基于VSG控制的逆变电源在并网合闸方面也具有较强的快速追踪特性，为电力系统的机械惯量作出了可观贡献，是电力系统未来保持稳定运营的关键。

参考文献

［1］王克，王泽忠，柴建云等.同步控制逆变电源并网预同步过程分析［J］.电力系统自动化，2015，39（12）∶152-158.

［2］王克.基于虚拟同步发电机的风力发电系统接口特性的研究［D］.华北电力大学（北京），2015.19-20.

［3］郑燕.基于虚拟同步发电机的光伏逆变器并网控制的研究［D］.安徽理工大学，2015.36-37.

作者简介：

刘海鹏（1986—），男，内蒙古赤峰人，大学本科，助理工程师，研究方向：电子信息科学、机电工程。