能源互联网中基于虚拟同步机算法的可再生能源并网技术研究

能源互联网中基于虚拟同步机算法的可再生能源并网技术研究

卢冬冬

（国网三门峡供电公司河南三门峡472000）

摘要：目前分布式可再生能源通常采用矢量控制算法，无法参与电力系统的频率响应。分析现有虚拟同步机研究现状的基础上，提出一种基于同步旋转坐标系的虚拟同步机算法的实现方式，该算法无需锁相环（PLL），大大提高了可再生能源的接入能力，实现了其由辅助能源向主要能源的转变。仿真结果验证了所提出算法的有效性。

关键词：能源互联网；虚拟同步机；惯量；阻尼；自同步

1虚拟同步机算法研究现状

虚拟同步机算法主要借鉴电力系统的运行经验，使逆变器具有与电力系统中大型同步电机类似的外特性，从而提高分布式发电和微网系统的并网能力。

1.1电流控制型虚拟同步机

虚拟同步电机的概念最早见于Wenske的博士论文，被命名为VISMA。其基本思想为：首先通过采样电网电压/电流/频率进行运算，得到虚拟同步电机定子电流的瞬时值，再通过

滞环控制，将逆变器输出电流控制为该值，从而实现逆变器的虚拟同步化。滞环控制的开关频率不确定性限制了VISMA的适用范围。

1.2感应电动势控制型虚拟同步机

彻底去除了传统意义上的电流环，将并网逆变器开环输出电压的幅值类比为同步电机的感应电动势，频率则类比为同步电机的转子角速度。与前述算法相比较，该算法物理意义更为明确，通过调节励磁参数、转动惯量、阻尼系数等参数，可方便地将此算法应用于不同电压/功率等级的变流器中。

1.3机端电压控制型虚拟同步机

在此基础上，提出一种串级控制策略，可视为以上两种虚拟同步算法的综合。该控制策略将滤波电容电压作为控制目标，将逆变器整体作为一个电压源进行控制。此种算法控制逆变器LC滤波器中的电容电压，等效为同步机的机端电压，故称为机端电压控制型虚拟同步机算法。综合以上文献，可发现“虚拟同步机”控制算法经历了电流控制型—开环电压控制型—闭环电压控制型的渐进式发展历程。基于此类算法的变流器，其具备与同步机类似的外特性，能从根本上改善变流器与电网间的交互特性。

2虚拟同步机算法的实现

机端电压控制型虚拟同步机算法尽管对滤波电容电压采用闭环控制，然而其机端电压采用基于自然坐标系的控制方式。常规PI调节器难以实现对交流电压和电流的无差跟踪，本文提出一种基于同步旋转坐标系的虚拟同步机算法，即通过abc/dq的坐标变换，将自然abc坐标系下的参考电压给定变换到旋转dq坐标系下的给定，从而可选取线性PI调节器对参考电压的控制。

具体控制框图如图1（a）所示。如图1（b）、（c）所示，有功功率给定Pref与反馈P经过一定比例系数，变成对应于同步发电机的原动力转矩Tm和电磁转矩Te，图1（b）中J对应于同步发电机的机械惯量，而D则对应于阻尼系数，转速偏差Δω与ω0之和作为模拟同步机的机端电压转速ω。相应的无功功率给定Qref与反馈Q之间偏差经过励磁调节器得到输出机端电压幅值U，图1（c）中间环节模拟同步发电机的转子励磁环节。

3仿真分析

本文在Matlab/Simulink环境中搭建了基于虚拟同步机算法的可再生能源并网逆变器系统，控制环路如图1所示。主要参数如下：滤波电感L为0.5mH；滤波电容C为47μF；阻尼电阻Rd为1Ω；直流母线电压Udc为800V；开关频率10kHz；电网相电压有效值220V；电网频率50Hz；阻尼系数D为10；惯量常数J为45；比例系数K为0.001。变流器初始时刻以10kW/-5kvar的功率指令运行，3.5s时刻有功功率指令切换到8kW，无功功率指令不变。整个过程虚拟同步发电机输出功率如图2所示。由图2仿真波形可知，图2（a）虚拟同步机启动时功率响应有一定超调，在功率指令变化时其响应速度较慢，频率维持在设定值314.15r/s附近，体现出同步机的惯量和阻尼作用。图2（c）虚拟同步机启动阶段并网电流波形出现少量畸变，3个周波之内即可达到稳态值且波形正弦度较好。在3.5s时刻功率指令发生变化，并网电流变化较为缓慢，2个周波内达到稳态值且无超调。

4结语

针对能源互联网中大规模可再生能源接入并网导致系统稳定裕度下降以及惯量降低等问题，本文提出一种基于同步旋转坐标系的虚拟同步机算法实现方式。该算法无需锁相环（PLL），可对电网提供惯量和阻尼支持，并且可参与电力系统的频率响应，从而大大提高了可再生能源的接入能力。仿真结果验证了本文所提出算法的有效性。

参考文献：

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