电器与能效管理技术(2017NO. 3)
微电网中基于虚拟同步发电机
技术的变换器
张宸宇1，邓凯2，史明明1，袁晓冬1，陈兵1，郑建勇3 (1.国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103; 2.国网江苏省电力公司检修分公司，江苏南京210000;
3.东南大学电气工程学院，江苏南京210096)
张宸宇（ 1989—），
摘要：针对微电网中常规电力电子接口变换器和传统同步发电机的区别，采用 一种基于虚拟同步发电机技术的变换器，通过对功率外环和电磁方程的设计，使得电 力电子变换器具有同步发电机的一些外特性的同时为微电网提供一定的阻尼和惯性， 阐明了下垂控制本质上是一种典型的虚拟同步发电机控制。最后基于Madab的仿真 验证了所提方法的可行性和正确性。
关键词：虚拟同步发电机，■功率外环，■电磁方程，■变换器
男，博士，工程师， 主要从事主动配电 网电能质量治理研 究。
TM 46文献标志码：A文章编号：2095-8188(2017)03-0009-05 DOI： 10. 16628/j. cnki. 2095-8188. 2017. 03. 002
中图分类号：
A Converter Based on Virtual Synchronous Generator Technology
in Micro Grid
ZHANG Chenyu1, DENG Kai2，SHI Mingming1，YUAN Xiaodong1,
CHEN Bing1，ZHENG Jianyong3(1. State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute, Nanjing 211103, China ；
2. State Grid Jiangsu Electric Power Maintenance Branch Company, Nanjing 210000, China；
3. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)
Abstract： In this paper,a converter based on virtual synchronous generator technology is used to design the
power outer loop and the electromagnetic equation, so that the power electronic converter has some external characteristics of the synchronous generator while providing some damping and inertia for the microgrid, It is clarified that sag control is essentially a kind of virtual synchronous generator control. Finally, the feasibility and correctness of the method are verified by Matlab simulation.
Key words ： virtual synchronous generator ； power outer loop ； electromagnetic equation ； converter
〇引言
高渗透率下的微电网是一个弱惯性、高度非 线性的环境，缺乏阻尼和惯性环节。随着大量分 布式间歇性能源的接人，电网吸纳能力降低，微电 网电能质量受到分布式电源的影响。在微电网容 量受限制的情况下，电压和频率不再只由大电网
决定，此时并网PCC点进行PLL锁相亦不准确， 导致分布式电源控制结果变差，微电网内电能质 量进一步降低[1~。
新能源发电所采用的电力电子接口具有响应 速度快，功率吞吐迅速的特点，一般并网控制策略 情况下无法为微电网提供一定的电压或频率支 撑，更无法为电网提供惯性支撑和阻尼。为了使
邓凯（1986—)男，博士，工程师，主要从事直流输电技术研究。 史明明（1986—)男，博士，高级工程师，主要从事电能质量研究。
电器与能效管理技术(2017N〇. 3)
电力电子接口对电网进行电压和频率支撑，部分 国内外学者提出电力电子接口工作在具有发电机 下垂特性曲线下时，采用下垂控制对电力电子接 口进行调制。这一方法虽然使得电力电子接口具 有同步发电机的一些外特性，如实现P—f、Q—v 曲线[34]，却依旧不能为微电网提供阻尼和惯性。 文献[5]首次提出虚拟同步发电机（Virtual
Synchronous Generator, VSG)的模型，并且充分考
虑了机械和电磁暂态特性。在模型提出的基础
上，文献[6]考虑了 VSG中直流侧储能单位的优 化配置问题，给出了平抑的可再生能源波动功率 的幅值所需配置储能的最小功率；文献[7]对
VSG逆变器小信号稳定性进行了分析，对控制参
数的配置具有指导作用;文献[8 ]讨论了 VSG在 微电网中的应用，并给出了其在微电网中无缝切 换的控制方案。
本文在以前的研究基础上[94°]，研究了微电 网中具有虚拟同步发电机技术的变换器控制方 法。首先分析了 VSG的数学模型和功率控制，阐 明了下垂控制本质上是一^种典型的VSG控制，只 是控制传递函数中缺失了阻尼和惯性环节，随后 经过电磁方程及电流内环控制，就构成了基于 VSG技术的变换器控制方案。
1
VSG数学模型
VSG连接示意图如图1所示。
图1
VSG连接示意图
电力电子接口想具有虚拟同步发电机特性， 首先要使得输出满足同步发电机的惯性方程：
= Tm ~Te~Td
(1)
式中：
CJ
一同步发电机的转动惯量;TmO机械角速度；
Te一同步发电机的机械转矩;Td
同步发电机电磁转矩；一同步发电机的阻尼转矩。
—10 —
•虚拟发电技术•
其中，/是惯性系数，其数值与同步发电机尺寸和
额定功率有关。可以利用惯性时间常数来定义转 动惯量/:
J = H- Sn/c〇02
(2)
式中义H—同步发电机的额定容量；
^惯性时间常数。
指同步发电机在额定转矩情况下从空载起动 到最后达到额定转速所花的时间。一般水电机组 丑为1〜3 s，火电机组丑为7〜8 s。
同步发电机电磁转矩7；可以通过同步发电 机输出的有功功率除以机械角速度得到：
Te = P/co = (eaia + ehih + ecic)/co (3)
同步发电机的阻尼转矩:Td的定义为Td = D(co - co0)
(4)
式中：p
一
同步发电机阻尼系数，抑制系统功 率震荡；
----电网同步角速度。
将式(4)代入式（1)可以得到电力电子接口 的虚拟同步发电机机械方程：
= Tm_Te-D(co-o^ (5)
虚拟同步发电机机械方程框图如图2所示。
图2
虚拟同步发电机机械方程框图
通过图2可以得到机械转矩和相角之间的关 系，只要通过有功方程和转矩之间的关系和无功 方程得到电压指令值，就可以得到虚拟同步发电 机的功率控制方式。
2功率控制
功率控制包括有功控制环和无功功率控制。
同步发电机的有功功率控制是通过对其输出机械
转矩来间接控制的，可以借鉴式（6)通过频率的 偏差对机械转矩进行调制从而改变逆变器有功功 率的输出：
AT = M/〇 _/)
(6)
同步发电机的机械转矩由转矩指令和有功频 率调节偏差构成：
Tm =T0+AT
(7)
•虚拟发电技术•
其中，转矩指令值为
了〇 =尸滅’⑴
(8)将式(6)和式(8)代入式(7)可以得到
Tm = Pyco + k{(f0 -/)
(9)
式(9)联立式（5)可以得到整个虚拟同步发电机 的有功控制环。
无功功率控制也是同样采用无功电压下垂控 制方程：
〜eq = KU)
(1〇)
式中：&—无功电压下垂控制系数；
QrQe{—
无功基准值；
—
逆变器实际输出无功功率。
同步发电机都具有自动电压调节器(Automatic
Voltage Regulator，AVR)，得到：
aeL[ = - U)
(11)
式中：
h
—虚拟同步发电机电压调节系数。
整个逆变器输出指令电动势可以表示成E = E0 + AEq+ AEU (12)式中：—给定的基准电动势。
将式（10)〜式（11)代入式（12)可以得到整 个虚拟同步发电机的有功控制环：E = E0 +kq(Qre{-Q) +ku(Ure{ - U) (13)
联立有功、无功功率控制可以得到整个VSG 的功率控制框图，如图3所示。
五ref
图3
VSG的功率控制框图
从图3可以看出，VSG与下垂控制的区别在于 有功环中是否有机械方程，当VSG机械方程中阻 尼系数D和惯性系数/都取〇时，变为下垂控制0 说明了下垂控制本质上是一^种典型的VSG控制， 只是控制传递函数中缺失了阻尼和惯性环节。
3电磁方程及电流内环控制
通过VSG数学模型和功率控制方程的分析可
电器与能效管理技术(2017NO. 3)
以知道，通过功率环可以得到虚拟同步发电机的输
出端电压指令值&#由于逆变器一般直流侧为电 压源，属于电压逆变器，既是受算法控制输出指令 电流值也是电流控制电压源逆变器，只要通过电压 电流双环控制得到调制信号，经过PWM调制 就可以得到开关管的门级信号，如图4所示。
图4
VSG内环控制框图
传统的坐标下电压电流双环控制如图5 所示。
电压外环
电流内环
图5电压电流双环控制框图
考虑到VSG需要同时工作在离网和并网状 态，传统的电压电流双环控制只能工作在离网状
态。而且VSG的指令电压Eref是机端输出电压 指令值，并不是传统双环控制的电网侧电网^的 指令值，所以不能直接用传统的电压电流双环 控制〇
通过图5输出滤波器上的KCL可以得到
VSG电磁方程：
L 年at
= e- u-ri
(14)
通过式（14)可以得到电压环的控制框图如
图6所示。
图6
电压环控制框图
通过图6可以得到电流指令值〖ref，通过电流 内环PI控制可以得到门级信号心整个VSG的控 制流程图如图7所示。
—11
—
电器与能效管理技术(2017N〇. 3)
•虚拟发电技术•
图7
VSG整体控制框图
通过图8可以看出，在整个负荷变化和VSG 功率输出变化过程中，由于有电网电压钳位作用，
整个电压波形稳定无变化。在^时刻，由于VSG 输出功率未改变，由网侧承担了突增的功率部分， 由于网侧可以看成一个无穷大电网，所以PCC点 电压并未畸变。在k时刻，VSG有功输出额定值 增加到20 kW，由于惯性系数的存在，VSG无法像 传统的在PQ控制下电力电子接口变换器功率突 变，其输出功率缓慢增大，在〇. 15 s时刻达到新 的稳态，整个暂态过程平滑无冲击。
(2) J：况2。一直运行在离网孤岛状态，在^ 时刻0. 10 s时再投入组20 kW的二级负载， 此时由轻载变为重载运行。其仿真波形如图9 所示#
通过图9可以看出，离网模式下所有的功率 只有VSG去承担，在负载变化过程中，由于瞬间 功率不再乎衡，没有大电网的钳位作用，PCC电 压在负载变化瞬间小幅跌落，但随后VSG会调整 有功出力保证电压稳定，所以很快到达稳态后电 压电流波形正常无畸变。(3) 工况L初始状态为并网，在^时刻0.10 s时断开静态开关，此时由并网转为离网，并 网时刻VSG的有功输出额定值为10 kW。其仿 真波形如图10所示Q
通过图10可以看出，在并网工作状态下VSG 有功输出为额定值1〇 kW。在^时刻微电网切换 为离网工作状态，静态开关断开，此时在静态开关 电流过零后截止，所有功率由VSG承担。由于属 于非计划离网，没有大电网的钳位作用，PCC电 压在负载变化瞬间小幅度跌落，但一个周波内 VSG会调整有功出力，保证电压稳定，所以很快
4仿真与试验
为了验证本文提出方法的可行性和正确性，
基于Matlab/Simulink 2010b建立了如图1所系的 系统模型。仿真系统参数为:380 V工频三相交 流电源，系统阻抗忽略不计;本地负荷有功负载 2〇 kW，无功负载100 var。(1)工况U —直运行在并网状态，在^时 刻0. 10 s时投入|组20 kW的二级负载，此时由 轻载变为重载运行，但此时VSG的有功输出额定 值为10 kW;在^时刻0. 12 s时VSG有功输出额 定值改为20 kW。其仿真波形如图8所示。
图8工况1仿真波形
—12
—
•虚拟发电技术•
0.06 0.08 0.10
0.12 t / s
0.14
0.16 0.18 0.20
图9工况2仿真波形
0.06 0.08 0.10 0.12 t / s
0.14
0.16 0.18 0.20
图10工况3仿真波形
到达稳态后电压电流波形正常无畸变。
电器与能效管理技术(2017NO. 3)
5 结语
在微电网中常规电力电子接口变换器具有响
应速度快，功率吞吐迅速的特点
，一
般情况无法提
供电压和频率支撑，更无法提供惯性支撑和阻尼
作用。随着VSG技术的提出，使得电力电子接口 具有同步发电机的下垂外特性，同时能为微电网 提供阻尼和惯性。本文阐明了下垂控制本质上是 一种典型的VSG控制，只是控制传递函数中缺失 了阻尼和惯性环节。最后基于Matlab/Simulink 2010b的仿真也验证了本文给出的控制方案的正 确性。
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收稿日期：2016-11
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