基于虚拟同步发电机的光伏并网逆变器控制

基于虚拟同步发电机的光伏并网逆变器控制

张波琦

张波琦

（国网西藏电科院西藏拉萨850000）

摘要：太阳能作为一种清洁可再生的能源，有着取之不尽、用之不竭、廉价、无污染的特点，也是这些特点使其有着其他新能源无法比拟的优势。然而，光伏并网发电系统与传统火电机组发电相比具有较大的差

异，光伏逆变器是由大量电力电子元件组成，虽然响应速度较快且调节能力较灵活，但是缺乏发电机组的固有惯性环节，其大规模接纳会带来许多的问题，输出功率的随机波动会引起电压频率的不稳定，情况严重时会引起大

规模光伏发电的连锁脱网，为电力系统的安全稳定运行带来较大的隐患。本文就根据同步发电机的转子运动方程和磁链方程来设计改进光伏并网逆变器的控制环路，使其具备主动调频调压能力，建立基于虚拟同步发电机的光

伏发电系统。

关键词：虚拟同步发电机；光伏并网；逆变器；控制

1同步发电机原理

同步发电机是电力系统的重要组成部分，其为电网提供了大量的惯性环节。如果将同步发电机的这种惯性特点应用于光伏并网逆变器的控制方法当中，需要了解同步发电机的基本原理，为适应大多场合的分析，

一般将同步发电机的数学模型进行简化分析。在光伏并网逆变器的控制策略中，主要模拟同步发电机的有功-频率和无功-电压调节特性。

首先，分析同步发电机的矢量关系，其并网等效电路及电压电流向量关系如图1和图2所示。图1中Us为同步发电机的等效内部电动势，R、L分别为同步发电机并网等效电阻及电感，Ug为并网电压，Ig为同步发电机输出电流。图

2中φ为同步发电机与电网之间的相位角，X为电抗，同时假设电网电压方向与d轴同方向，q轴与d轴垂直。

将电压和电流信号分别分解到dq轴上，可求出并网输出电流在dq轴上的数学表达式为：

式中：Y为导纳矩阵；Usd、Usq为同步发电机内电势的直轴、交轴分量；Ugd、Ugq为电网电压的直轴、交轴分量。相应表达式分别为：

相位角φ可表示为发电机转子角速度ω与电网系统角速度ωg差的积分，即

在实际同步机发电系统中，转子的角速度ω一般是由调速器决定的，与有功和角频率有关；而内部的电动势一般由励磁调节系统决定，与无功和电压有关。所以，可以根据同步发电机的运动方程，将调速器一次调频模型和励

磁调压模型特性模拟到光伏逆变器的控制电路中，从而使光伏逆变器具有与同步发电机相一致的响应特性。

2虚拟同步发电机控制算法

光伏并网逆变器在模拟同步发电机控制时，应构造有功频率和无功电压两个控制器。其中，有功频率控制器主要反应的是同步发电机的机械惯性以及阻尼特征，无功电压控制器则模拟的是同步发电机的电压调节

特性。

2.1有功频率控制算法

在常规电力系统中同步发电机具有一定的惯性，频率不会发生突变，根据同步发电机的转子运动方程，在光伏并网逆变器控制电路中引入虚拟惯性控制来模拟同步发电机的转子运动方程，其功率和频率控制方程

为：

式中：H为虚拟惯量常数，与同步发电机的转动惯量J相对应；Pi和Po为光伏逆变器的输入和输出功率；Kd为阻尼系数。为增强光伏并网逆变器的调频能力，使其在负荷波动时能提供一定的频率支撑，提出一种有功-频率下垂控

制器，其表达式模型为：

式中：Pref为有功参考值；Dp为有功功率的下垂系数。根据式（5）和式（6）可求得光伏并网逆变器的调速器模型，其有功功率与频率的传递函数为：

有功功率与频率控制框图如图3所示。

由图3可以看出，当频率发生微小波动时，系统可保持转子运动特性，而且可提供附加的功率以减小系统的频率波动，进而实现系统频率支撑功能。阻尼模块可使逆变器频率与电网频率保持一致。

2.2无功电压控制算法

采用相同的方法，根据同步发电机的励磁调节系统，设计光伏并网逆变器的无功功率和电压控制算法，结果如图4所示。

（下转第38页）

图4中Qref为无功参考值，Qo为无功功率输出值，Dq为无功功率的下垂系数，Ta为延迟时间常数，Eset为光伏逆变器端电压参考值，Eg为无功控制环的输出信号，kpl和kil为无功环的比例、积分系数。由图4可求

得光伏并网逆变器的参考电压表达式为：

PI控制器控制无功功率的输出大小，而延时环节则可防止无功波动太快而带来的不利影响，减小特定条件下的系统冲击。

2.3整体控制算法

基于虚拟同步发电机的光伏并网控制策略框图如图5所示。为了更好地研究光伏逆变器的VSg控制算法，忽略了储能的动态响应，在惯性调节期间，可通过设置储能的输出来保证逆变器的输出功率与输入功率是不

相等的。图5中Ud为直流侧电压，Iabc为并网逆变器输出三相电流，Uabc为LC滤波器电容电压。当光伏并网逆变器工作在虚拟同步发电模式的时候，控制系统会根据有功功率和无功功率的参考值，经有功-频率和无功-电压控制

算法后，分别输出角频率和电压参考值，再根据同步发电机的矢量关系表达式，求出其在dq坐标轴下的电流，最后，通过与实际值比较之后生成PWM信号来驱动开关。在这种工作模式下，光伏并网逆变器具备了虚拟的转动惯量

，增加了并网系统的旋转惯量，改善了并网系统的电压频率调节特性。

3结语

本文分析了虚拟同步发电机的基本原理以及并网等效矢量关系图，根据同步发电机的调速器和励磁调压特性，设计了光伏并网逆变器的虚拟同步发电机控制算法提出的控制策略，能够提高并网系统的电压频率调

节能力，有利于系统的稳定运行。

参考文献：

[1]陈炜，艾欣，吴涛，等．光伏并网发电系统对电网的影响研究综述[J]．电力自动化设备，2013，33（2）．

[2]王湘明，张玮玮，王卫鑫．并网逆变器功率和合成谐波阻抗联合控制策略[J]．沈阳工业大学学报，2016，38（2）．

[3]姚骏，杜红彪，周特，等．微网逆变器并联运行的改进下垂控制策略[J]．电网技术，2015，39（4）．

作者简介：

张波琦（1983），硕士研究生；工程师；研究方向：网源协调技术；水轮发电机涉网试验；光伏并网检测。