摘要：随着时代的不断进步和发展，光伏发电已经逐渐成为新能源发电主流能源利用型式,光伏发电普遍以分布式型式接入电源,考虑到太阳能地域分布、辐射量时间分布不均,且随着分布式电源渗透率的不断提高,传统同步发电机已经不能满足光伏电力系统的接入需求。本文希望采用并网同步控制逆变电源与负荷共同组成微电网,微电网是由多个微电源和负荷组成的集合系统，具有联网和孤岛两种工作模式，是分布式发电领域非常活跃的分支。在微电网中，多数电源是以逆变器为接口接入的，因此对逆变器的控制是微电网运行控制的关键。
关键词：同步控制；逆变电源；预同步控制；微电网；下垂特征
微电网其本质是由多个微电源与负荷所共同组成的集合型系统,它具备孤岛与联网两种工作模式,被称为分布式发电领域的重要分支。在微电网所构成的体系中,大部分电源都是通过逆变器作为接口接入设备的,所以对微电网而言,对逆变器的高质量控制是相当必要的。
一、微电网中逆变电源的控制
（一）逆变器控制
微电网中对逆变器的控制分为两种：幅频控制和功率控制。其中功率控制依据电流源模式展开控制,它依靠控制逆变电源所输出的d、q两轴电流来做到对电网输出有功、无功功率的控制,这种方法高效且简易,己经被广泛应用于微电网的联网运行模式中。所以说,微电网的孤岛运行是基于多个分布式电源并联来实现供电的,由于没有大电网对它的电压及频率提供电力支撑,所以它必须通过若干个发电电源来作为系统的幅频控制节点,达到确保母线电压幅值及频率的共同稳定。本文所探讨的同步控制逆变电源是基于下垂特性理论展开的,依据这一特性,逆变电源能够实现自动决定所输出电压的幅值及频率,这里综合借鉴了电力系统中“有功调频、无功调压”的调节理念,再经过对逆变电源的输出电压、电流检测信息来实现最终的系统电压稳定供应,最后达到功率均分。
（二）VSG控制
由于在下垂控制理论下的逆变电源相比于传统同步发电设备在惯量上表现较为薄弱,所以它对电力系统机械的惯性贡献也更小,这就使电力系统的电压与频率稳定性趋于劣势。另外,现有分布式电源的并网接口形式较为多样,而且控制策略也相对繁琐,这也使许多电力上网动态模型难以达到模式统一,让电力系统中某些较为成熟的调控技术无法正常发挥,所以基于此问题,业界就研究了围绕虚拟同步理念所设计的VSG(virtual synchronous generator)发电机,它以电力电子逆变器的并网分布式发电系统来建设,并配备了电能储能环节,通过并网逆变电源控制算法来实现对同步发电机的并网预同步过程,即VSG控制。因为在VSG发电机中,锁相环测量与合闸开关动作是存在误差的,所以必须在逆变电源中接入微电网,并着手解决其频率、相位完全同步的问题。所以本文提出在非理想并网合闸条件下,基于微小频率差来降低合闸开关动作误差。因此同步控制逆变电源在并入微电网以后就会出现相位同步及追踪过程,这一过程也被称为并网预同步过程。
二、基于下垂控制为核心的逆变电源并网预同步控制过程
预同步发电机的理想并联合闸条件就是在各发电机输出段电压幅值、相序、相位及频率都相同时,判断并满足逆变电源的并网预同步控制过程。利用预同步控制可以调节同步发电机中的励磁电流,并使二者电压幅值相同。如果电压与相序相同却频率不同时,还可以基于相量图机组电压来实现对发电机的控制。而如果频率相等,相位差固定不变,此时相位是无法进行调节的,这就说明了在合闸后的瞬时电压还是存在一定偏差的（如图一）。所以对预同步发电机而言,正是这种电压差的存在才出现了自整步功能,让发电机能够实现并网预同步过程。
图一，太阳能光伏并网逆变器控制设计方法
本文分析仅存在频率差时，同步控制逆变电源空载并入微电网（用同步发电机带负荷模拟）至完全同步的过程。可以分成空载追踪和并联预同步两个过程：首先是逆变电源空载追踪运行，其控制策略均采用直接给定电压和频率指令的控制策略。通过锁相环得出同步发电机输出电压和频率，其电压值直接作为逆变电源空载运行电压参考值，而频率（考虑频率差）作为逆变电源空载运行的频率参考值。
当存在频率差时，端电压相位差将会在0°到360°之间周期变化，当相位差过零即频差电压等于零时，可以合上并联开关使系统并联运行。在完成并网合闸后，逆变电源将空载控制策略切换成各自的预同步控制策略。然而，由于合闸开关动作时间存在误差，因此为方便分析，假设误差时间滞后，且假定完成合闸时刻待并入电源频率高于发电机频率，而电压幅值相等，则当完成合闸后，电压之间依然存在相角差，预同步过程也就是逐渐减小相角差的过程。本文主要研究在此工况下，基于不同控制的逆变电源与同步发电机并联预同步的过程。
三、基于VSG的逆变电源并网预同步控制策略
VSG具备两种特性:同步发电机定子电气特性和引入虚拟转子轴的转子特性,所以基于同步发电机的调速理论来引入虚拟调速概念是可行的。这里利用到了功率调节下垂特性,并基于同步发电机励磁机理来引入虚拟励磁概念。这其中包括对输出电压的控制、以Q甩下垂特性为主的电压调节以及由电源输出电压幅值计算为主的无功功率目标值输出等等。
VSG不仅具有同步发电机定子电气特性，而且通过引入虚拟转子轴使得其也具有转子的特性。因此，根据同步发电机调速原理，可以引入虚拟调速的概念：在虚拟轴系上，利用下垂特性（功率调节特性），由电源频率计算虚拟拖动功率的目标值），与电源输出功率作差，计算出作用于虚拟轴系上的动转矩，获得虚拟转子的角加速度、角速度和角度。根据同步发电机励磁机理，可以引入虚拟励磁的概念：对输出电压的控制，利用下垂特性（电压调节特性），由电源输出电压幅值计算输出无功功率目标值，与实测输出无功功率作差，经比例—积分调节器可获得内电势（励磁电流）的目标值，再由励磁装置调制获得希望的励磁电流以得到所需的电压幅值。
与基于下垂控制的逆变电源相比，VSG控制也可看成是一种下垂控制，区别在于：前者直接通过下垂计算角速度指令值，而VSG控制不是直接得到角速度指令，而通过引入虚拟转轴，模拟同步发电机转子加、减速的方式得到该指令，使得内电势频率变化具有一定的惯性；而对于电压幅值，VSG控制通过引入虚拟励磁装置使得转子绕组具有一定的电气惯量，限制了内电势幅值的突变（如图二）。总的来说，与同步发电机相比，基于VSG控制的逆变电源也具有了惯量。
图二，VSG的逆变电源并网预同步控制
基于VSG控制的逆变电源利用下垂特性，通过虚拟调速系统作用在虚拟转子轴系上实现了对内电势频率的控制，从而使得系统具有机械转动惯量，限制了内电势频率的突变；通过引入虚拟励磁器使得励磁绕组具有一定的电气惯量，限制了内电势幅值的突变。非理想并网条件下，当相角差基本相等时并网，基于下垂控制的同步电源在并网预同步动态过程中，由于其相对同步发电机不具有惯性，逆变电源输出频率和电压突变，且其变化幅度和变化率较大；而基于VSG控制的逆变电源，其频率和电压不出现突变，具有较平缓的变化幅度，并且与同步发电机牵入同步过程具有相似的动态特性。
参考文献
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论文作者:陈万武,谢飞
论文发表刊物:《基层建设》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/15
标签：电压论文; 发电机论文; 频率论文; 逆变电源论文; 电网论文; 特性论文; 电源论文; 《基层建设》2017年第35期论文;