基于VSG技术的分布式电源自适应阻尼控制研究

周 艳 朱 慧 戚思源 吴文龙

（国网江苏省电力有限公司盐城市大丰区供电分公司）

0 引言

分布式电源多为数千瓦到50WM功率左右的小型模块式独立电源，能实现个性化供电服务。VSG技术支撑下分布式电源有望实现动态旋转供电，在调频调压作用下表现自适应阻尼控制功能，产生同步发电机等效服务特点，确保分布式电源在供电环节赋予用户持稳可靠的用电体验，理应依据实际使用需求完善自适应阻尼控制优化计划，充分提升供电服务质量。

1 分布式电源自适应阻尼控制优化目的

1.1 消除欠阻尼风险

分布式电源能实现局部地区独立用电计划，本文提出依靠VSG技术强化自适应阻尼控制功能，主要为了进一步消除欠阻尼风险。所谓欠阻尼指的是在“传输线特性阻抗＜负载阻抗”条件下出现能量反射问题。该现象的出现不但容易增加供电成本，而且会破坏电源系统运行稳定性，其电压波形图如1所示。随着时间延长，电压呈现先增后降趋势，具体可参照下述公式评估反射状态。

即：

其中，ρ为反射系数；ZL、Z0为反射电压、入射电压。

ρ＞0情况下呈现过冲反应；ρ＜0为电压下降状态。经过VSG技术的有效辅助，可在调压作用下防范欠阻尼风险，促进分布式电源持稳运行。

图1 欠阻尼仿真分析下分布状态（负载阻抗-传输线阻抗：100～70Ω）

1.2 减小频率偏差

在按照原有同步发电机使用分布式电源时，常忽视频率偏差对电源运行状态的干扰，VSG技术能实现虚拟惯量（J转动惯量）、阻尼系数（D）动态调节，继而体现无差调频特征。一般而言可参照下述公式归纳J与D的变化规律。

即：

其中，Tm、Te、Pm、Pe、ωm、ωe、ω、P0分别指代原动机转矩、电磁转矩、原动机及同步发电机的输出功率、原动机及同步发电机运行频率及实际角频率、负荷功率。

从中可以发现VSG技术下能动态调节频率偏差，以此在调频作用下保持电压幅值平稳。按照上述内容可验证VSG技术下优化分布式电源自适应阻尼控制功能，以便改善运行状态。

2 VSG技术原理分析

VSG技术与自适应阻尼控制的相关性，多体现在分布式电源应用VAS技术后，能够改进原有拓扑结构，如图2所示。由于原有发电机中可为电源给予备用容量，便于并网后快速体现自适应优势，实现阻尼可控。在电源运行中其电压回路多满足下述公式标准：

图2 分布式电源拓扑结构示意图（三相桥式逆变器）

其中，Vabc、、L各自表示电容端三相电压、输出三相电压、滤波电感等效电阻、输出电流、滤波电感。

经过VSG技术可促使三相电压以相对平衡的状态释放电能，自此有效处理原有发电机难以达到的调频调压效果。

按照仿真分析法对VSG技术中分布式电源逆变器结构予以研究时，能够结合有功频率变化情况达到增大阻尼系数的目的。

式中，kp为有功下垂系数；ω0、ωg为原有角频率、公共母线处角频率测量值。

实际上，在并网分布式电源数量增加情况下，频率偏差随之增大，此时VSG技术指引下，能同时实现角频率和功率、电压等参数范围的合理控制，进一步防止并网后电源运行时引起电力系统失稳后果，继而适应运行环境促进分布式电源装置保有平衡性能［1］。

3 基于VSG技术的分布式电源自适应阻尼控制优化路径

3.1 建立VSG仿真模型

基于VSG技术优化分布式电源自适应阻尼控制功能时，可以运用仿真分析法先行建立VSG仿真模型，从中分析优化方案的优越性和可行性。在建模时可以围绕分布式电源结构特征和参数标准将J值、D值设置为0.3kg·m2、0N·m·s／rad，电枢绕组电阻为0.01Ω，滤波电容为15.6mH，电感为10.5uF，直流电压源800V，额定功率10kW。在统计好仿真模型参数标准后，还应明确仿真模型仿真分析顺序，即在分布式电源运行中依靠VSG技术优化系统性能，此时从额定功率条件下运行时，负荷量在10kW 降为6kW，之后变化为8kW，且均保持1s运行周期情况下记录仿真模型反馈效果［2］。根据仿真模型分析结果确定电压输出值始终未超过，证明在VSG技术可达到优化输出性能和参数可控目的，表明此技术的应用能促使分布式电源有效应对频率偏差、增压下产生的不良风险。

于仿真模型中对VSG技术应用效果加以分析时，还可以参照公式（2）对转动惯量J和频率ωn相关性加以研究，一般前一项数据变大，后一项将减小，并且在分布式电源呈现负载状态时，同步发电机更易形成功率失调（电磁功率与机械功率）问题，而VSG技术可通过模拟量的综合分析为电源提供自适应条件，使之保持阻尼平衡，预防在功率突变状况下影响电压分布稳定性。而且在阻尼系数D变大时，超调也随之上升，此时形成的系统响应时间反而缩减，经由VSG技术可在模拟分析场景下延缓系统频率响应速度，为系统提供适应新频率状态的预留时间［3］。

3.2 优化控制参数

以VSG技术改进分布式电源结构，实现自适应阻尼控制功能优化设计时，还应重点优化阻尼系数k参数，以自适应阻尼参数改善系统性能。通常应用VSG技术可以确保分布式电源中使用的同步发电机保持等效分布状态。结合公式（5）可判定分布式电源在阻尼系数下受到的具体影响。在阻尼控制系数达到阻尼临界标准时，此时分布式电源中同步发电机基本未见超调现象，而参数减小则容易出现欠阻尼后果，而系统参数在自适应控制优化处理后可以随时增加参数和标准值的契合度［4］。

同时，针对分布式电源运行中涉及的变惯量，可以根据相关系数计算公式表达参数关系。

式中，Jmax、J0代表分布式电源中转动惯量允许最大值和VSG技术下转动惯量。且Jmax的自适应控制多与虚拟转动惯量下出现频率偏移有关，经过对自适应参数的优化控制可以增强多样性运行状态下系统稳定性。于自适应阻尼控制优化阶段，通常要求阻尼比满足0.27～0.8的相关要求。无论是系统频率突变还是电压变化，均可在自适应控制参数优化设计下保持系统稳定运行状态。阻尼比作为系统约束条件，在满足标准要求后还能在VSG逆变器支持下减小超调，促进输出电压始终保持相对稳定的变化状态，电压和频率在VSG技术逆变器下利用自适应阻尼控制参数逐渐发挥可调控作用。

3.3 完善控制模块

3.3.1 频率模块

VSG其实就相当于是一个逆变电源，因此在进行频率模块优化时，要将分布式电源控制结构中发电机测速器进行功率调节，利用指令信号偏差进行系统反馈信息的输出。在这一过程中，实现发电机同步功能模拟期间，可以利用转子机械方程，将H设为VSG的惯量虚拟常数项。随后，对逆变型分布式电源（IIDG）实施孤岛运行模拟，利用下垂控制关系，对频率模块予以优化调整。同时，为了保证发电机频率的同步性，应当针对旋转轴进行阻尼项介入，即加入k（Wr－Wgrid）。最终得到频率模块的函数公式：

式中，Wgrid和Pref为输出参考有功的频率和功率；D为下垂系数；P为逆变器端口的输出有功功率。

利用公式（7）对频率模块进行电网频率实时监测，根据电源发出的有功功率的输出数值，通过输出IIDG相位角命令，调控输出频率。

3.3.2 电压模块

针对电压模块进行优化时，相较于传统的惯性虚拟频率电压输出指令而言，其电压模块指令中主要包含两部分，即电压无功下垂指令和调节无功功率误差指令。这两个指令能够提高电压模块自动化调节的精准性，保证并网运行过程中电压充分满足系统运行需求。本文结合无功电压这一方法手段，对电压模块展开优化控制，通过引入比例积分，将无功功率偏差造成的输出电压波动降至最低状态，从而实现对分布式逆变电源电压参数的有效调控，电压形式可以参考下列公式予以分析：

式中，k为比例积分的参数；Qref为输出功率参考值。该公式中引入的比例积分即为PI。在比例积分控制器运行下，即便系统运行出现干扰项，相应的电压模块也能够及时进行调节，进而找到系统运行的平衡工作点，保证系统运行稳定。

3.4 优化方案验证分析

通过进行仿真试验，对于本文中的优化方案进行验证，分别进行两组试验，一组采用自适应阻尼系数进行控制，另一组选择固定阻尼系数进行控制，将两组试验结果进行仿真对比［5］。结果表明，采用自适应阻尼系数进行控制的系统，在输出有功值小于试验设定值时，k值大小与系统响应速度呈现负相关，即k越大，系统响应速度越慢。在输出有功值大于试验设定值时，k值大小与系统超调之间同样成反比，即k越小，系统超调越高。由此看出，采用自适应阻尼系数进行控制的系统其输出有功更具动态性，结果更加精准。因此，自适应阻尼系数能够优化IIDG的输出特性，减少系统运行中干扰项的影响，保证分布式电源平稳运行。

4 结束语

综上所述，分布式电源在VSG技术导向下能逐步拥有良好的自适应阻尼控制功能，进而增强供电稳定性和可靠性。据此，应围绕技术原理从VSG仿真模型、参数优化、控制模块、方案验证等方面着手，逐步解决消除欠阻尼风险和减小频率偏差等问题，便于在实践研究阶段归纳分布式电源改造设计经验，助力该产品实现大规模应用推广，满足电能用户高质量用电服务需求。