多VSG单元协同运行控制策略探讨

多VSG单元协同运行控制策略探讨

赵智超

河北中煤旭阳能源有限公司

摘要：随着近几年来新能源技术的飞速发展，光储单元在电力系统中的装机规模逐渐发展壮大。因此多VSG单元协同运行的场景已广泛存在在电力系统中。本文在已有研究的基础上，提出了一种适用于多VSG单元协同运行的控制策略。首先，搭建了含传统电源及两个VSG单元在内的多端交流微电网。然后，通过频率变化率确定了两个VSG单元的总惯量大小。其次，根据各VSG单元中储能装置荷电状态的差异制定了适用于两个VSG单元协同运行时的虚拟惯性协同控制策略。以期为多VSG单元协同运行研究提供一定帮助。

关键词:多VSG单元;运行控制;新能源技术

1  引言

随着近几年来新能源技术的飞速发展，光储单元在电力系统中的装机规模逐渐发展壮大。因此多VSG单元协同运行的场景已广泛存在在电力系统中。针对多VSG单元协同运行的情况，制定切实有效的控制策略，可以保证多VSG单元的稳定运行，从而进一步推进光储单元在电力系统中装机规模的增加，缓解化石能源的供给压力。多VSG单元协同运行时，各单元的储能荷电状态(state of charge，SOC)是不同的，因此各单元的惯性支撑能力也存在差异，根据储能SOC这一重要指标，制定关于多VSG单元协同运行时的惯性分配策略显得十分必要。

本文在已有研究的基础上，提出了一种适用于多VSG单元协同运行的控制策略。首先，搭建了含传统电源及两个VSG单元在内的多端交流微电网。然后，通过频率变化率确定了两个VSG单元的总惯量大小。其次，根据各VSG单元中储能装置荷电状态的差异制定了适用于两个VSG单元协同运行时的虚拟惯性协同控制策略。最后，在所搭建的Matlab/Simulink仿真平台中验证了所提控制策略的有效性。

2  系统拓扑结构及VSG控制

2.1  系统拓扑结构

为了对多VSG单元协同运行的场景进行研究，本文搭建了图1所示的多端交流微电网。图中发电机G1代表着电力系统的调频电厂，VSG1和VSG2代表着两个结构一致的光储单元，系统中的交流负载在正常运行时保持恒定。

图1  多端交流微电网结构

2.2 VSG控制策略

虚拟同步发电机控制将传统发电机的转子运动方程引入到换流器的控制中，来实现换流器器有功-频率的惯性响应。VSG控制的转子运动本体方程如式（1）所示：

式中，J表示VSG控制中的虚拟惯量，ω表示系统的角速度大小，Pm、Pe则分别代表着VSG单元的机械功率和电磁功率, ω0表示系统的同步角速度，θ表示VSG单元的虚拟功角。

虚拟惯性的独特优势在于其灵活可控，为了充分应用这一特性，有学者提出了灵活虚拟同步发电机(flexible virtual synchronous generator，FVSG)控制技术。即根据系统的频率变化对VSG单元的虚拟惯量进行灵活调整，FVSG控制的表达式如下式所示：

（2）

式中，J0表示一个较小的数值；f表示系统的频率；ke、kf表示虚拟惯量的调整系数，根据系统运行稳定性的要求进行合理给定；M表示设定的阈值，当频率变化率小于给定的阈值时，系统的虚拟惯量保持为一个较小的数值，当系统频率变化较快时，虚拟惯量跟随频率的变化动态调整，为系统提供惯性支撑。

3 多VSG单元协同控制策略

光储单元中的储能装置担负着平抑扰动，与光伏协同配合达到光储单元稳定出力的重要作用。因此储能装置的荷电状态是维持系统安全运行的一个重要指标。本次研究就重点考虑各VSG单元中储能装置的荷电状态差异，提出了在各VSG单元中储能SOC不同时的虚拟惯量协同分配策略。

系统稳态运行时，系统的角速度变化很小，因此对式（1）进行进一步简化可得：

由上式可得各VSG端的功率变化与自身虚拟惯量J成正相关，即J越大，在提供惯性支撑时，自身功率变化越大，因此可以通过调节各VSG单元的虚拟惯量来调节各光储单元在提供惯性支撑时的功率输出。   储能装置在运行时存在充电或者放电的运行状态，不同工作状态下对储能SOC的影响不同，在充电时，SOC小的储能装置应尽可能地参与到惯性支撑中来。而对于放电时，储能SOC越大，自身工作环境越安全，此时SOC大的VSG单元应在惯性支撑中参与程度较大一些。本文根据以上分析思路制定了基于虚拟惯量控制下的多VSG单元协同控制策略。

首先，确定所有VSG单元所能提供的总惯量，系统的总惯量依据式(2)所示的FVSG控制策略来确定。正常时系统的总惯量较小，扰动发生时系统总惯量较大，然后根据各储能装置的SOC来进行协同分配。系统总惯量确定之后，放电时的协同控制策略如下式所示：

               (3)

式中，J1表示VSG1单元的虚拟惯量，J2表示VSG2单元的虚拟惯量，μSOC1表示VSG1单元储能装置的SOC, μSOC2表示VSG2单元所含储能装置的SOC, J表示系统总惯量的大小。由式（3）可以看出在放电时，各VSG单元的虚拟惯量与其储能装置的SOC成正相关，保证了SOC充足的储能端多放电，减小了SOC小的储能装置的有功出力，尽可能的维持了各储能装置的安全运行。同理，得到充电时各VSG单元的虚拟惯量大小如式(4)所示：

           （4）

式中各变量的含义同式（3）中变量的含义一致，在充电时各VSG单元的虚拟惯量与自身SOC成反比，即SOC越小，自身的惯量越大，从而充电功率越多。

4 总结

本文在已有研究的基础上，提出了一种适用于多VSG单元协同运行的控制策略。首先，搭建了含传统电源及两个VSG单元在内的多端交流微电网。然后，通过频率变化率确定了两个VSG单元的总惯量大小。其次，根据各VSG单元中储能装置荷电状态的差异制定了适用于两个VSG单元协同运行时的虚拟惯性协同控制策略。

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