虛擬發(fā)電機(jī)研究剖析

1、濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文摘 要分布式發(fā)電的快速發(fā)展使其在電網(wǎng)中的比重日益變大，增加了分布式電源安全、穩(wěn)定并網(wǎng)的難度。消除分布式電源接入電網(wǎng)時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)的不利影響，要求其在提供電能的同時(shí)也具有相應(yīng)的電壓頻率和幅值支撐能力。虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)作為一種能夠使分布式電源主動(dòng)參與電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)的控制方案，受到了廣泛關(guān)注。虛擬同步發(fā)電 機(jī)的根本在于對(duì)同步發(fā)電機(jī)特性的模擬，即一次調(diào)頻特性、一次調(diào)壓特性與慣性。本 文先闡述對(duì)分布式發(fā)電與虛擬同步發(fā)電機(jī)的認(rèn)識(shí)，并簡(jiǎn)要介紹同步發(fā)電機(jī)的工作原 理。接著分析了虛擬同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)原理和現(xiàn)有虛擬同步發(fā)電機(jī)的技術(shù)方案。最后提出對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略的設(shè)計(jì)， 用MATLAB/SIMUL

2、INK 搭建虛擬同步發(fā)電機(jī)的 仿真模型，并進(jìn)行仿真和對(duì)仿真結(jié)果的分析。 虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，確實(shí)提高 了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了頻率和電壓的無(wú)差控制。虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)很好的改 善了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，具有深遠(yuǎn)的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；虛擬同步發(fā)電機(jī)；一次調(diào)壓；一次調(diào)頻；虛擬慣性-2 -ABSTRACTIn this paper, Growing proportion of distributed power in power grid because of its rapid development, increase the difficulty of distributed powe

3、r safety and steadily parallel in power grid. In order to elim in ate distributed power grid on the harmful effects of electric power system, the distributed gen eratio n also must have its corresp onding voltage amplitude and freque ncy support. Virtual synchronous gen erati on( VSG) attracted much

4、 attention as a kind of control plan can make the active participation of distributed power grid power regulation. The most important of VSG is the simulation of the synchronous generator characteristics. These characteristics are frequency regulation, voltage regulation and virtual inertia. This pa

5、per first expounds the understanding of distributed generation and VSG, and make a brief introduction to the principle of synchronous generator. Then analysis the principle of VSG and the existing scheme of VSG . Finally puts forward the topological structure and control strategy design. Set up usin

6、g MATLAB/SIMULINK simulation model of VSG , and do the simulation and analysis of results. The applicatio n of the VSG tech no logy did raise the stability of power system and realize the no differe nee freque ncy and voltage con trol. The VSG tech no logy has greatly improved the stability of power

7、 grid. The VSG has profo und developme nt prospects.Key words： electric power system; virtual synchronous generator; voltage regulation; frequency regulation ； virtual inertia濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文摘要.ABSTRACTII1前言11.1選題的目的及意義11.2分布式發(fā)電現(xiàn)狀 11.3虛擬同步發(fā)電機(jī)的發(fā)展22同步發(fā)電機(jī)原理簡(jiǎn)介32.1同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 32.2同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性 32.2.1空載特性32.2.2電樞反應(yīng)42

8、.2.3頻率及電壓控制原理42.2.4同步發(fā)電機(jī)的功率及轉(zhuǎn)矩方程 43虛擬同步發(fā)電機(jī)原理 63.1 虛擬同步發(fā)電機(jī)的主電路 63.2有功調(diào)節(jié)73.3無(wú)功調(diào)節(jié)83.4電壓空間矢量 PWM調(diào)制算法103.5典型虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)方案分析 123.5.1電流控制型虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù) 123.5.2電壓控制型虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù) 144 虛擬同步發(fā)電機(jī)仿真 164.1仿真模型164.2濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)164.3控制策略設(shè)計(jì)174.3.1功頻控制器仿真174.3.2勵(lì)磁調(diào)節(jié)器仿真184.3.3三相調(diào)制波仿真184.4仿真結(jié)果與分析194.4.1孤島模式仿真分析 194.4.2阻尼參數(shù)與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的研究 20

9、4.4.3濾波器參數(shù)的整定 22結(jié)論25參考文獻(xiàn)26致謝28-IV -濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文丄、八1前言1.1選題的目的及意義選擇“分布式發(fā)電中的虛擬同步發(fā)電機(jī)的研究” 課題作為本畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)，學(xué) 習(xí)同步發(fā)電機(jī)頻率及電壓控制原理， 理解現(xiàn)有的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方案， 認(rèn)知其在 分布式發(fā)電中的重要作用。如今，電能已經(jīng)成為居民生活的必需品， 而且人們對(duì)電能 質(zhì)量的要求也日益提高，如何更高效的提供高質(zhì)量的電能是時(shí)代對(duì)當(dāng)今電力技術(shù)提出 的要求?；诳稍偕茉矗ㄈ顼L(fēng)能、太陽(yáng)能等）的分布式發(fā)電技術(shù)成為人類應(yīng)對(duì)能源 危機(jī)和環(huán)境污染的重要手段之一，近年來(lái)越來(lái)越受到重視 。分布式發(fā)電迅速發(fā)展，其裝機(jī)容量越來(lái)越大，如

10、何將其高效、穩(wěn)定的并入電網(wǎng)成 為各方大力研究的課題。早期將分布式電源看作不可控發(fā)電模塊的控制方法已經(jīng)不適 用于現(xiàn)狀，甚至?xí)?duì)電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此，分布式電源不 能只是向電網(wǎng)提供電能，還應(yīng)具備一定的電網(wǎng)電壓幅值和頻率支撐能力，以維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，有學(xué)者提出了下垂控制方法 。這種方法雖然為電網(wǎng)提供了頻 率和幅值上的支撐，但是同步發(fā)電機(jī)特有的慣性特性沒(méi)有得到體現(xiàn)，即在電網(wǎng)中出現(xiàn)有功功率供需不平衡時(shí)，無(wú)法通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)抑制電網(wǎng)頻率的快速波動(dòng)?；谶@方面的考慮，在控制回路中加入了虛擬慣性環(huán)節(jié)，就此形成了較完備的虛擬同步發(fā)電機(jī)的 概念4,5。發(fā)展到今天，微電源并網(wǎng)策略仍然有很

11、多問(wèn)題需要深入探究，因此對(duì)虛擬同步發(fā)電機(jī)的研究就顯得尤為必要。從穩(wěn)定性的要求出發(fā)，虛擬同步發(fā)電機(jī)仍需利用電力電 子控制的靈活性對(duì)技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新； 穩(wěn)定頻率與動(dòng)態(tài)均流之間的矛盾仍需調(diào)和。 由 于時(shí)代的發(fā)展要求與自身的限制問(wèn)題的存在，在虛擬同步發(fā)電機(jī)上的投入必然增加， 該技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步極大地推動(dòng)了并網(wǎng)的穩(wěn)定性 。12分布式發(fā)電現(xiàn)狀發(fā)展到2013年，光伏發(fā)電裝機(jī)容量已然增至 139.637GW7。在全球范圍內(nèi)分布 式光伏發(fā)電的裝機(jī)容量占據(jù)相當(dāng)大的比重，像德、日、美等國(guó)家，都對(duì)其數(shù)量有指標(biāo) 上要求，他們?cè)诶每稍偕茉磿r(shí)都是在低壓配電測(cè)接入發(fā)電機(jī)組。而對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，雖然光伏發(fā)電相對(duì)較晚，但仍然緊跟世

12、界的腳步，從2002年開始發(fā)展，期間陸續(xù)發(fā)布多項(xiàng)政策支持分布式發(fā)電。我國(guó)國(guó)家能源局指出，在國(guó)內(nèi)新增15GW的光伏發(fā)電，特別提到要實(shí)現(xiàn)3.15GW以上的分布式光伏屋頂。由此可見，電力系統(tǒng)中的分布式能 源占比呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，相應(yīng)的傳統(tǒng)能源比例就會(huì)減小，可再生能源的分布式利用將是 電力研究的熱點(diǎn)。1.3虛擬同步發(fā)電機(jī)的發(fā)展分布式發(fā)電技術(shù)面臨著諸多挑戰(zhàn)。 其接入電網(wǎng)通常具有不易調(diào)控性；當(dāng)前配電網(wǎng) 仍然無(wú)法穩(wěn)定地接受分布式電源；并網(wǎng)逆變器等關(guān)鍵部分的優(yōu)化等。為解決與改善上 述問(wèn)題提出的虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制方法，其對(duì)提高分布式電源大規(guī)模接入電網(wǎng)的能 力具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值9。虛擬同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)理念

13、是對(duì)電力電子器件加以控制來(lái)模擬同步發(fā)電機(jī)的外 特性，使逆變器能夠參與系統(tǒng)的調(diào)壓及調(diào)頻工作 10,進(jìn)而滿足電網(wǎng)的平穩(wěn)性、安全性 要求。自虛擬同步發(fā)電機(jī)概念的問(wèn)世以來(lái)， 學(xué)者在這方面進(jìn)開展了許多研究， 不斷的 改進(jìn)控制算法，使其日趨成熟。起步時(shí)期，魯汶大學(xué)提出了“ VSG”技術(shù)它只是模 擬了調(diào)頻特性和轉(zhuǎn)子慣性。這個(gè)方案還是有較大的不足，它其實(shí)并沒(méi)有考慮對(duì)勵(lì)磁加 以控制來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功電壓。缺少了勵(lì)磁調(diào)節(jié)，就使其無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)出傳統(tǒng)同步電機(jī)的運(yùn) 行原理。同時(shí)代的克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)提出的“ VISMA ”方案就有了一定進(jìn)步，它 彌補(bǔ)了上述分析中的缺點(diǎn)，在工作特性上與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)更相似。從外特性上看， 這兩類

14、控制方法都等效于受控的電流源，因此在微電網(wǎng)環(huán)境中無(wú)法良好地提供電壓支 撐作用，也就無(wú)法進(jìn)行離網(wǎng)的孤島模式的運(yùn)行。 針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，另有學(xué)者提出了電壓 控制型的虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)。在這個(gè)方向的引導(dǎo)下，以后的控制方式克服了上述 的種種不足并有所改進(jìn)，愈加接近于同步發(fā)電機(jī)的特征。這項(xiàng)課題的進(jìn)步對(duì)減少環(huán)境 污染、促進(jìn)能源利用具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，它會(huì)更多的進(jìn)入人們的視線，更多的產(chǎn)生 研究成果。-30 -2同步發(fā)電機(jī)原理簡(jiǎn)介2.1同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)同步發(fā)電機(jī)是由靜止的定子和轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子兩個(gè)主要部分構(gòu)成， 定子是由導(dǎo)磁的鐵 芯、導(dǎo)電的三相繞組和固定鐵心用的底座和端蓋等部分構(gòu)成， 在系統(tǒng)中的作用是產(chǎn)生 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

15、和接收電能。同步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)形式， 一種是有明顯磁極的，稱為凸極式，如 圖2.1左圖所示；另一種轉(zhuǎn)子呈圓柱形狀，并無(wú)明顯磁極，叫做隱極式，如圖 2.1右 圖所示。圖2. 1旋轉(zhuǎn)式磁極2.2同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性2.2.1空載特性同步發(fā)電機(jī)的空載特性是指其在標(biāo)定的轉(zhuǎn)速下，同步電機(jī)只加入勵(lì)磁而且不并入電網(wǎng)時(shí)的特征。這個(gè)時(shí)候同步發(fā)電機(jī)中的勵(lì)磁磁勢(shì)Ff會(huì)隨著轉(zhuǎn)子進(jìn)行同步的旋轉(zhuǎn)，就在電樞繞組中感應(yīng)出勵(lì)磁電勢(shì) Eo。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，其空載特征表現(xiàn)為勵(lì) 磁電動(dòng)勢(shì)隨著勵(lì)磁電流的變化而變化的數(shù)量關(guān)系。數(shù)學(xué)表示如下：n=n N,l=O,E°=f(lf)( 2.1)圖2. 2同步發(fā)電機(jī)

16、的空載特性曲線式（2. 1）中nN為同步發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，Eo為感應(yīng)出的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)，If為勵(lì)磁 電流。從圖2. 2可以得出結(jié)論，在勵(lì)磁電流較小的時(shí)候，此時(shí)的磁通也較小，電機(jī)的 磁路也就沒(méi)有達(dá)到飽和狀態(tài)，空載特性呈現(xiàn)直線（氣隙線是將該直線延伸之后的射 線）。隨著電路中勵(lì)磁電流的慢慢變大，磁路慢慢達(dá)到飽和狀態(tài)，磁化曲線由此進(jìn)入 飽和階段。2.2.2電樞反應(yīng)當(dāng)三相對(duì)稱負(fù)載接入同步發(fā)電機(jī)的電樞繞組后，電樞繞組就會(huì)和負(fù)載一起構(gòu)成一個(gè)閉合的回路，該通路中流過(guò)的電流即是三相對(duì)稱的交流電流。這個(gè)三相對(duì)稱電流會(huì)經(jīng)過(guò)同步發(fā)電機(jī)的三相對(duì)稱繞組，此時(shí)就形成一個(gè)與轉(zhuǎn)子同速的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。該磁勢(shì)的 出現(xiàn)，使同步發(fā)電機(jī)負(fù)載之后

17、在其內(nèi)部又產(chǎn)生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，稱為電樞旋轉(zhuǎn)磁勢(shì) Fa。綜上分析，三相對(duì)稱負(fù)載接入同步發(fā)電機(jī)之后，發(fā)電機(jī)中共有兩個(gè)磁勢(shì)：一是隨 軸同轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Ff，二是電樞的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì) Fa。由此總結(jié)出電樞反應(yīng)的概念，即電 樞磁動(dòng)勢(shì)在氣隙中作用于氣隙磁通，使其大小與位置產(chǎn)生相應(yīng)的變化。2.2.3頻率及電壓控制原理同步發(fā)電機(jī)的有功調(diào)頻特性及無(wú)功調(diào)壓特性直接對(duì)大電網(wǎng)的頻率及電壓的產(chǎn)生 作用。電力系統(tǒng)頻率的變化調(diào)節(jié)過(guò)程具體表現(xiàn)為同步發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功率及輸出電磁 功率的變化及調(diào)節(jié)過(guò)程11。起初時(shí)刻當(dāng)電力系統(tǒng)的有功功率發(fā)生改變時(shí)，導(dǎo)致輸入的機(jī)械功率和輸出的電磁功率之間失衡，因?yàn)橥桨l(fā)電機(jī)特有的機(jī)械慣性和阻尼作用， 頻率發(fā)

18、生改變的過(guò)程就會(huì)相應(yīng)變緩。隨后產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)頻率的偏移量，原動(dòng)機(jī)據(jù)此進(jìn) 行調(diào)速，進(jìn)而使其輸入機(jī)械功率隨之變化，達(dá)到改變轉(zhuǎn)速、維穩(wěn)頻率的目的。這個(gè)過(guò) 程稱為一次調(diào)頻特性，這個(gè)調(diào)節(jié)方式的調(diào)控范圍有限，是有差調(diào)節(jié)。電力系統(tǒng)電壓的變化及調(diào)節(jié)過(guò)程具體表現(xiàn)為系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷變化及同步發(fā)電機(jī)勵(lì) 磁調(diào)節(jié)過(guò)程12。系統(tǒng)的無(wú)功功率發(fā)生改變時(shí)，導(dǎo)致線路電壓發(fā)生改變，系統(tǒng)的壓降也 會(huì)發(fā)生改變。這時(shí)同步發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生電壓上的偏移量，并據(jù)此來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁，從而抑制壓降變化的幅度。2.2.4同步發(fā)電機(jī)的功率及轉(zhuǎn)矩方程圖2. 3中P1為原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率；P。表示包括軸承及電刷的摩擦損耗產(chǎn)生 的機(jī)械損耗；PFe稱為鐵耗，是指發(fā)電機(jī)的主

19、磁通在鐵磁材料中交變時(shí)所產(chǎn)生的部分 損耗，Pad是指由于電樞鐵心結(jié)構(gòu)、電樞反應(yīng)引起氣隙磁場(chǎng)畸變等原因造成的難以精 確計(jì)算的附加損耗，Pcua是指電流在經(jīng)過(guò)導(dǎo)體時(shí)電阻上消耗掉功率產(chǎn)生的損耗。P2是指輸出的電功率。輸入 功輒電磁功 率P.機(jī)械lilftpa附加損耗P>4輔出功 率巳 nir- 定子IH扳Pirn圖2. 3發(fā)電機(jī)功率構(gòu)成由圖2. 3可得出功率方程：(2. 2):R =P§+(Pc+PFe + Pad)f2 = - Pcua = mUI COS(2. 3)聯(lián)立方程可得輸出功率為：P2 = P1-PCua - PFe -召-Pad = R -£ P記空載損耗F0

20、 =PFeRi,代入式（2. 2）得P =p嚴(yán)在式（2. 4）的兩邊同時(shí)除以機(jī)械角速度門巨得60P1P . P0QQ Q即T1 =Te +T。(2. 4)(2. 5)(2. 6)其中T1為原動(dòng)機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩；Te為發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，呈現(xiàn)阻轉(zhuǎn)性質(zhì)；T0為空載 損耗對(duì)應(yīng)的阻轉(zhuǎn)矩。式（2. 6）說(shuō)明，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與制 動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩之和平衡。3虛擬同步發(fā)電機(jī)原理虛擬同步發(fā)電機(jī)是為了順應(yīng)電力系統(tǒng)的快速進(jìn)展產(chǎn)生的需求而提出的。傳統(tǒng)的控制方法沒(méi)有物理意義上的慣性，無(wú)法在負(fù)載突變的情況下穩(wěn)定電壓與頻率的變化范 圍，而且其較弱的抗電流沖擊的能力也不利于電網(wǎng)穩(wěn)定。因此出現(xiàn)了虛擬同

21、步發(fā)電機(jī)的控制方案，以其較強(qiáng)的抗干擾能力、高輸出慣量、大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的特點(diǎn)，使分布式電 源能夠更好的并入大電網(wǎng)中。本章節(jié)針對(duì)虛擬同步發(fā)電機(jī)的學(xué)習(xí)與分析， 主要任務(wù)是研究現(xiàn)有虛擬同步發(fā)電機(jī) 的技術(shù)方案和控制機(jī)理，分析基于同步發(fā)電機(jī)特征方程的有功頻率、 無(wú)功電壓的調(diào)節(jié) 方案和電壓空間矢量PWM控制方式，并介紹已經(jīng)提出的兩類典型的虛擬同步發(fā)電機(jī) 技術(shù)控制方案。3.1虛擬同步發(fā)電機(jī)的主電路虛擬同步發(fā)電機(jī)的主電路拓?fù)鋱D及控制原理圖如下圖3. 1所示。主電路逆變橋采用的是三相電壓型逆變器，電流Ii （i =a、b、c,下同）為輸出電流，Ci、是三相逆變器 主電路LC濾波器的濾波電容，Li是其濾波電感，Ri是主

22、電路中的電阻，選用三相對(duì) 稱負(fù)載作為電路的負(fù)載。虛擬同步發(fā)電機(jī)是通過(guò)模擬同步電機(jī)的運(yùn)行特征來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。同步發(fā)電機(jī)在不帶負(fù)載時(shí)它的電樞電流和輸出功率的值都是零。 同步發(fā)電機(jī)接入了負(fù)荷之后，電樞中 就產(chǎn)生電流線路上產(chǎn)生輸出電壓，它的值就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線路阻抗上吸收的電壓的 差值。在電樞反應(yīng)的作用下該電壓與電樞電流即產(chǎn)生輸出功率，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)功能。本文研究簡(jiǎn)化過(guò)的同步發(fā)電機(jī)的模型，即假設(shè)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為隱極式轉(zhuǎn)子， 且其極對(duì)數(shù)p為1。這樣一來(lái)，在其并入大電網(wǎng)進(jìn)行工作的時(shí)候，如果能夠?qū)㈦姍C(jī)的 勵(lì)磁電流的變化，并將其反映到控制環(huán)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓與輸出電流之間的相位差， 從而達(dá)到控制同步發(fā)電機(jī)的輸出功率

23、的目的。綜上同步發(fā)電機(jī)的原理，得到同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械方程和電磁方程：U = E-Ir j Lxs（3. 1）d Pm PeJTm -Te -Td m -亠- D（一0）（ 3. 2）dtd-（3. 3）dt 上述式中的U為同步發(fā)電機(jī)的電樞電壓；E為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，I為電樞電流，Ra為 同步發(fā)電機(jī)的電樞電阻，Xs為電抗值；J為同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，3為同步發(fā)電機(jī) 的電氣角速度，30為大電網(wǎng)的同步角速度，Td、Tm、Te分別是同步發(fā)電機(jī)的阻尼轉(zhuǎn) 矩、機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩，Pm為同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率，Pe為電磁功率，D是阻尼 系數(shù)；B為同步發(fā)電機(jī)的電角度。從主電路拓?fù)鋱D中看出主要環(huán)節(jié)包括無(wú)功調(diào)節(jié)與有功調(diào)節(jié)。

24、 先由機(jī)械功率與電磁 功率作差，差值經(jīng)由積分環(huán)節(jié)得到系統(tǒng)的角速度，再一次積分即得到系統(tǒng)的相位角 £ 勵(lì)磁控制環(huán)節(jié)得到的電勢(shì)的幅值與電路中阻抗消耗的電壓作差所得即作為控制向量。3.2有功調(diào)節(jié)分布式電源并網(wǎng)時(shí)要確保輸出頻率的穩(wěn)定， 只允許其在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，不然 的話就會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的各個(gè)組成部分造成一定程度的損壞。但是分布式電源在離網(wǎng)運(yùn) 行時(shí)，大電網(wǎng)不再對(duì)其提供頻率上的支撐，也就是等于分布式電源所帶的負(fù)荷突然增 大。這個(gè)過(guò)程會(huì)使分布式電源產(chǎn)生的有功功率與負(fù)載上所吸收的有功功率之間的差值 偏大，這樣一來(lái)整個(gè)分布式電源就不能在額定頻率下工作，隨之帶來(lái)的就是在短時(shí)間內(nèi)逆變器輸出的頻率會(huì)產(chǎn)生較

25、大程度的降低。由此可以看出，頻率是衡量電能供給質(zhì)量的一個(gè)特別重要的指標(biāo)，維持它的穩(wěn)定是供電所必須具備的條件13。傳統(tǒng)的同步發(fā)機(jī)對(duì)有功功率輸出的調(diào)節(jié)是通過(guò)對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)通過(guò)調(diào)頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)頻率偏差的響應(yīng)。 類比該機(jī)理，對(duì)其機(jī)械特征和電氣特征，設(shè)計(jì) 的虛擬同步發(fā)電機(jī)有功調(diào)節(jié)的控制框圖如圖 3. 2所示。f為分布式電源電壓的額定頻 率，然后該值與實(shí)際檢測(cè)的頻率值f比較得出偏差值，再經(jīng)比例環(huán)節(jié)的控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 頻率的無(wú)差調(diào)節(jié)。使用同步發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻的控制思想， 用頻率的偏差值經(jīng)由比例環(huán) 節(jié)之后，再與分布式電源的額定有功功率做和， 從而降低負(fù)載功率的波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng) 的影響。圖3. 2有功調(diào)節(jié)

26、控制框圖虛擬同步發(fā)電機(jī)對(duì)并網(wǎng)逆變器有功指令的調(diào)節(jié)通過(guò)其虛擬機(jī)械轉(zhuǎn)矩 Tm的調(diào)節(jié)來(lái) 實(shí)現(xiàn)。虛擬機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm由兩部分組成：一是機(jī)械轉(zhuǎn)矩指令 TO,二是頻率偏差反饋指 令汀。To的計(jì)算公式為：T0 = Pref / *，（ 3. 4）式中Pref為并網(wǎng)逆變器的有功指令。系統(tǒng)可以通過(guò)虛擬的自動(dòng)頻率調(diào)節(jié)器來(lái)進(jìn)行頻率響應(yīng)的調(diào)節(jié)，這里假設(shè)該頻率調(diào)節(jié)器為比例環(huán)節(jié)，則機(jī)械功率偏差指令.汀可以表示為：AT=kf（f f。）（ 3. 5）由以上分析可以看出虛擬同步發(fā)電機(jī)有功調(diào)節(jié)其調(diào)控方式的優(yōu)勢(shì)。在有功頻率調(diào)控的思想中，比例積分占據(jù)了十分重要的地位。 該環(huán)節(jié)使得系統(tǒng)可以有效、快速地跟 蹤負(fù)載功率的大小，使得系統(tǒng)的實(shí)際

27、輸出功率與負(fù)載有功功率之間的差異迅速降低直 至消失，實(shí)現(xiàn)快速地抑制分布式發(fā)電頻率波動(dòng)的功能。3.3無(wú)功調(diào)節(jié)在電力系統(tǒng)中，電力傳輸?shù)母灸康氖枪β实膫鬏敗?如若電網(wǎng)中的電壓幅值在額 定值允許波動(dòng)的范圍之外，系統(tǒng)本身和用電單位都會(huì)受到很大的損害。電壓偏離額定 值時(shí)會(huì)影響用電設(shè)備的正常工作，嚴(yán)重時(shí)乃至損壞用電設(shè)備。在實(shí)際工作運(yùn)行過(guò)程中， 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小直接受電壓高低的影響。 對(duì)于有勵(lì)磁鐵芯的變壓器、發(fā)電機(jī)等設(shè) 備，如果勵(lì)磁電壓過(guò)高，產(chǎn)生一系列的作用與反應(yīng)，致使電機(jī)的電磁特性的變化。而 電壓幅值過(guò)低則會(huì)使得系統(tǒng)中某個(gè)微小的電壓產(chǎn)生擾動(dòng)，隨之而來(lái)的產(chǎn)生電壓崩潰， 致使電網(wǎng)出現(xiàn)大面積的停電問(wèn)題甚至是電

28、力系統(tǒng)的癱瘓。由此可見，電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定十分重要。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載出現(xiàn)改變的時(shí)候，系統(tǒng)的電壓幅值會(huì)隨著它的改變而改變。 此時(shí)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)就會(huì)自主地加大或降低其勵(lì)磁電流以確保系統(tǒng)的電壓水 平處于額定范圍內(nèi)。由上述分析可知，在同步發(fā)電機(jī)中，輸出的無(wú)功功率與機(jī)端電壓的調(diào)節(jié)是通過(guò)改 變勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)的。與之類比，虛擬同步發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率與它的機(jī)端電壓則可以通過(guò)調(diào)節(jié)虛擬電勢(shì)E來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)如圖3. 3所示的控制框圖。refE3圖3. 3無(wú)功調(diào)節(jié)控制框圖虛擬同步發(fā)電機(jī)的虛擬電動(dòng)勢(shì) E主要由三部分組成。一部分是虛擬同步發(fā)電機(jī)的空載電勢(shì)Eo,表示虛擬同步發(fā)電機(jī)在孤島模式空載運(yùn)行時(shí)的機(jī)端電壓。一部分是對(duì)應(yīng)于無(wú)功

29、功率調(diào)節(jié)的部分 厶Eq,計(jì)算公式為：Eq =kq(Qref -Q)( 3. 6)式中kq為無(wú)功調(diào)節(jié)系數(shù)；Qref為并網(wǎng)逆變器的無(wú)功功率給定；Q為并網(wǎng)逆變器輸 出的瞬時(shí)無(wú)功功率的值，其計(jì)算公式為：Q =(Ua -Ub)ic (Ub -Uc)ia (Uc -Ua)ib/ .3(3. 7)虛擬電動(dòng)勢(shì)E的另一部分對(duì)應(yīng)于機(jī)端電壓調(diào)節(jié)單元的輸出AEu,等效為同步發(fā)電機(jī)的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器或者勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的輸出，則匚Eu可以表示為：Eu = ku (U ref - U )( 3. 8)式中ku為電壓調(diào)節(jié)系數(shù)；Uref是并網(wǎng)逆變器的機(jī)端電壓有效值的設(shè)定值，U是其有效值的真實(shí)值。綜上所述即得可到虛擬同步發(fā)電機(jī)的電勢(shì)計(jì)

30、算公式，如下E 二 E。厶 Eq ，Eu( 3. 9)繼而得到虛擬同步發(fā)電機(jī)的電勢(shì)電壓向量：H 一E sin(®)E = q = Es in (®-2 兀/3)( 3. 10)_ecLEsi n岸 +2貳/3)_式中二dt表示虛擬同步發(fā)電機(jī)的相位。由此可見，虛擬同步發(fā)電機(jī)對(duì)比于傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單的控制策略具有很大的優(yōu)勢(shì)。虛擬同步發(fā)電機(jī)不僅僅是確保無(wú)功功率的跟蹤控制，而且還加入了分布式電源的電壓上的調(diào)控環(huán)節(jié)，能夠依據(jù)電壓的改變量為分布式發(fā)電并入電網(wǎng)時(shí)供給必要的無(wú)功功率上的支撐143.4電壓空間矢量PWM調(diào)制算法分布式電源是主電路中的能量轉(zhuǎn)換的模塊，逆變器的SPWM控制的目的在于保證輸

31、出的電壓盡量逼近正弦波。但是該控制方法忽略了輸出的電流波形是否為正弦波 的問(wèn)題。通常控制電機(jī)的方法是將開關(guān)單元與電機(jī)看作一個(gè)整體來(lái)考慮的，由此提出了“電壓空間矢量 PWM(SVPWM，Space Vector PWM控制”。SVPWM調(diào)制方法的 大量使用15,16,17,不僅解決了 SPWM調(diào)制方法在輸出諧波較高和直流電壓利用率較低 的問(wèn)題，而且更有利于控制的數(shù)字化。VT| 、A VT>1 1VT4 cvt6 丄Avt2圖3. 4三相逆變器系統(tǒng)主電路原理圖圖3. 4所示的三相逆變器系統(tǒng)的主電路原理圖，該三相橋采用了 180。導(dǎo)通型， 功率開關(guān)器件總共包括表3. 1列舉的八種工作狀態(tài)，其中

32、有2種工作狀態(tài)下的逆變器 沒(méi)有向外進(jìn)行輸出，故將其看作是無(wú)效狀態(tài)。有效的開關(guān)狀態(tài)有表 3. 1所示6種。表3. 1開關(guān)狀態(tài)表序號(hào)開關(guān)狀態(tài)開關(guān)代碼1VT6、V、VT21002VT1、VT2、VT31103VT2、VT3、VT40104VT3、VT4、VT50115VT4、VT5、VT60016VT5、VT6、VT11017VT1、VT3、VT51118VT2、VT4、VT6000一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)，上述的六種有效狀態(tài)會(huì)各出現(xiàn)一次。 每隔二/3就切換一次狀 態(tài)，完成換相，而在此次的 二/3角度內(nèi)則保持該狀態(tài)不變。假設(shè)一個(gè)工作周期是從“ 100”的狀態(tài)開始的，此時(shí)逆變橋的 VT6、V、VT2是導(dǎo)通的，

33、其他的晶體管即是關(guān)斷的。此時(shí)主電路中各個(gè)參數(shù)的計(jì)算公式為：U A0'=2（3. 11）UdU B0- U C0'2（ 3. 12）逆變器會(huì)跟著時(shí)間的推移而做出相應(yīng)的工作狀態(tài)的切換，使主電路中各個(gè)階段的電壓在電壓幅值上是相同的，但其相位是不同的。相位每次會(huì)改變二/3，直到增加至 2二的弧度，這樣完成一個(gè)周期后結(jié)束。六個(gè)矢量則會(huì)形成一個(gè)正六邊形，如3.5所示。圖3. 5 一個(gè)周期內(nèi)六邊形合成的電壓空間矢量把并網(wǎng)逆變器工作的一個(gè)周期內(nèi)的 6個(gè)電壓空間矢量劃分為6個(gè)區(qū)域，叫做扇區(qū) （如圖3. 5）,每個(gè)扇區(qū)所對(duì)應(yīng)的相位都是二/3。任一扇區(qū)的分析都可以推廣到所有 的扇區(qū)。圖3. 6電壓空

34、間矢量的空間形狀與扇區(qū)分布在實(shí)際應(yīng)用中，為了減少開關(guān)器件的損耗，希望換相時(shí)能夠保證只有一個(gè)開關(guān)器 件的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變。如此一來(lái)，在每個(gè)相位為: /3的工作狀態(tài)中，PWM電壓波形就相等效于一個(gè)脈沖波，如圖3. 7所示。3.3節(jié)中得出的虛擬同步發(fā)電機(jī)電勢(shì)電壓向量即三相調(diào)制波與該P(yáng)WM電壓波形的交截，即得到三相逆變器六只開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。3.5典型虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)方案分析本章介紹兩類典型的虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)： 電流控制型虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)和電 壓控制型虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，從外特性上來(lái)看，它們分別等效于受控電流源與受控 電壓源。下文是對(duì)兩類虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)原理的分析。3.5.1電流控制型

35、虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)圖3. 8給出了一種VSG主電路的拓?fù)鋱D，其主要思路是用理想的直流電壓源代 替蓄能單元，該方案的控制思想是設(shè)置虛擬慣量環(huán)節(jié)和一次調(diào)頻環(huán)節(jié)，并設(shè)置電流閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)來(lái)仿真同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣性特性和一次調(diào)頻特征。圖3. 8 VSG主電路拓?fù)鋱D同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程是:,dPm PeJTm Te( 3. 13)dt式中的Tm表示同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，Tc表示同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；Pm為機(jī) 械功率，Pe為電磁功率；3表示實(shí)際的電網(wǎng)角速度，J表示同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量。由式(3. 13)可以看出，在電網(wǎng)的頻率產(chǎn)生增加的時(shí)候，同步發(fā)電機(jī)消耗有功功 率；反之，輸出有功功率。轉(zhuǎn)子慣性的模

36、擬是通過(guò)設(shè)定虛擬慣量的功率指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的，數(shù)學(xué)方程如下：r, d«Rnertia = J( 3. 14 )dt由式(3. 14)可知，該功率設(shè)定值正比于電網(wǎng)頻率和其變化率的乘積。 顯而易見， 電網(wǎng)頻率若從其標(biāo)準(zhǔn)值變化至另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的值之后， 其輸出功率就會(huì)變成零，這 種狀態(tài)明顯對(duì)電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定不利。一次調(diào)頻特性的模擬則需要設(shè)定其一次調(diào)頻的功率指令，數(shù)學(xué)方程如下：1Pdroopref )( 3 15)m從式(3. 15)可得出結(jié)論：當(dāng)電網(wǎng)頻率高于頻率的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，并網(wǎng)逆變器消耗有功功率；反之，將輸出有功功率。綜合本節(jié)上述分析，有功功率的指令為：P - Puprefin ertiadroo

37、p(3. 16)計(jì)算方程如下:P?did 皿 q =2(5iq -Uqid)(3. 17)此時(shí)Uq =0，則有:3.P = ；Udld 23.q=2Udq(3. 18)進(jìn)而得到電流環(huán)的有功電流指令i ”d和無(wú)功電流指令i ”q，求算方程為:2Prefiq3Ud=0(3. 19)系統(tǒng)中的參數(shù)J、m須結(jié)合電網(wǎng)頻率和頻率的穩(wěn)定指標(biāo)來(lái)計(jì)算。式(3. 16)中,設(shè)計(jì)系統(tǒng)的輸出功率有兩部分，分別是一次調(diào)頻功率和虛擬慣性功率。當(dāng)電網(wǎng)頻率變化，虛擬慣性功率作為重要作用環(huán)節(jié)， 為了更多的利用并網(wǎng)逆變器的容量， 所以確定J的選取范圍為:(3. 20)P maxdo max( )dt式中的Pmax為逆變器的功率上限

38、當(dāng)電網(wǎng)在偏離額定頻率的情況下平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)， 主要作用環(huán)節(jié)變?yōu)樘摂M一次調(diào)頻功(3. 21)率，由此下垂系數(shù)m的確定:m，- max = maXmax - 'ref，ref 一 minx現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，頻率變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程中的虛擬一次調(diào)頻功率與虛擬慣量功率會(huì)疊加 在一起形成一個(gè)值。該值有可能超過(guò)虛擬電機(jī)系統(tǒng)的容量， 所以必須對(duì)輸出功率設(shè)定 值設(shè)置限幅。該VSG方案通過(guò)模擬轉(zhuǎn)子慣性特征與一次調(diào)頻控制抑制了系統(tǒng)在頻率上的產(chǎn)生 大范圍的波動(dòng)。但它的控制算法并不全面，缺少無(wú)功方面的調(diào)節(jié)，即沒(méi)有模擬同步發(fā) 電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)原理。繼而提出了“ VISMA ”方案，該模擬了同步發(fā)電機(jī)定子的電 氣特征，更加全面的模

39、擬了同步發(fā)電機(jī)的工作特征。該方案也存在弊端，其電流設(shè)定值是與濾波電感的取值相關(guān)的，它的控制精度會(huì)受電路中電感取值的影響。3.5.2電壓控制型虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)電壓控制型虛擬同步發(fā)電機(jī)克服了電流控制型方案在弱電網(wǎng)和孤島運(yùn)行中的不 足，加拿大多倫多大學(xué)M.Reza Iravani教授提出了模擬了同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性的虛擬 慣性頻率方案18，原理框圖如圖3. 9所示。圖3. 9虛擬頻率慣性控制原理框圖該控制方案的逆變器輸出頻率控制是對(duì)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性與一次調(diào)頻的模擬。在離網(wǎng)模式工作時(shí)，其電壓幅值的給定是由無(wú)功功率-電壓下垂的調(diào)控方式所得到的,模擬了同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)。以下是其方案中的轉(zhuǎn)子機(jī)械方程、

40、 一次調(diào)頻控制方程、一次電壓控制方程及無(wú)功 積分控制方程：d 2 HPm - Pout - K dpec）（ 3. 22）dtp1Pm _ Pref = D ref " pee ）（ 3. 23）D PEi 壬 - DqQ（ 3. 24）K q （Qref - Q ） E2-（ 3. 25）s式中，H是系統(tǒng)的慣性系數(shù)，Kd是系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，3是機(jī)械角頻率，CDpec是系 統(tǒng)公共耦合點(diǎn)的電壓角頻率；Dp是有功-頻率下垂系數(shù)；Dq是無(wú)功-電壓下垂系數(shù)； K-是積分控制系數(shù)。該方案的頻率控制模擬了同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻特性及慣性特性，優(yōu)化了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，關(guān)鍵負(fù)荷的電壓穩(wěn)定性得到了很大的提

41、高。4虛擬同步發(fā)電機(jī)仿真4.1仿真模型本文采用MATLAB/SIMULINK 工具組建了虛擬同步發(fā)電機(jī)的電路模型，并進(jìn)行仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)分析。綜合上文的分析，依據(jù)上文中的主電路拓?fù)鋱D，搭建如圖4. 1所示的電路模型。將分布式電源用直流電源代替19,20,21，主電路中的逆變橋利用 SimPowerSystems電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)的通用橋模塊(Un iversal Bridge)仿真，用三相電 壓電流測(cè)量模塊測(cè)量電路中的瞬時(shí)三相電壓和電流，濾波選用RLC濾波電路，負(fù)載選三相對(duì)稱負(fù)載。圖4. 1虛擬同步發(fā)電機(jī)仿真模型4.2濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)濾波器是分布式電源不可缺少的部分。我國(guó)大電網(wǎng)的額定頻率為50Hz，

42、但是逆變電源的開關(guān)頻率通常是在1kHz以上的，這種情況會(huì)致使逆變電源的輸出電壓中含 有大量的高次諧波，這種高次諧波的次數(shù)大多是開關(guān)頻率或者開關(guān)頻率的整數(shù)倍。為了使其輸出電壓為我們需要的正常使用的工頻，就需要濾除那些影響電能質(zhì)量的高頻諧波，為此本文選用低通濾波器濾除那些高于截止頻率的諧波22,23,24。LC濾波器的傳遞函數(shù)：(4. 1)G(j ) =1 = A( )ej ()5A()二1(4. 2)1-( )22 (2 )2 CO nOn(4. 3)式中：A為傳遞函數(shù)的幅值，©為傳遞函數(shù)的相位，Z為系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，con是設(shè)定 的轉(zhuǎn)折角頻率。綜合上述分析可以得到傳遞函數(shù)的對(duì)數(shù)幅頻特性

43、的公式：1尬 2 2*尬 2L( ) =20lgA( ) =-20lg 1-( )22 (2)2(4. 4)濾波器的功能是對(duì)有用信號(hào)盡可能無(wú)衰減的保留、對(duì)系統(tǒng)噪聲的遏制。轉(zhuǎn)折角頻率和系統(tǒng)的阻尼系數(shù)是影響其濾波性能的兩個(gè)主要參數(shù)。在幅值公式中，轉(zhuǎn)折角頻率越低，高頻諧波的幅值衰減越多。但轉(zhuǎn)折角頻率的設(shè)定值也不能過(guò)低：當(dāng)所帶負(fù)載比 較大時(shí)，公式中的阻尼系數(shù)就較大，此時(shí)濾波之后的輸出電壓的基波也發(fā)生明顯的衰 減，這是不符合設(shè)置濾波器的目的的；當(dāng)負(fù)載較小，即在系統(tǒng)的阻尼系數(shù)較小時(shí)，輸 出電壓基波的放大倍數(shù)則會(huì)過(guò)大，易造成系統(tǒng)的震蕩無(wú)法滿足對(duì)閉環(huán)控制的補(bǔ)償。 經(jīng) 過(guò)多次試驗(yàn)以及借鑒應(yīng)用實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，選取參數(shù)

44、R取值為lohms參數(shù)L的取值為2mH,參數(shù)C的取值為1.2mF。該參數(shù)下的低通濾波器極大的抑制了諧波， 也保證了 50Hz的正弦波在基本不失真的情況下輸出。4.3控制策略設(shè)計(jì)4.3.1功頻控制器仿真根據(jù)3.2節(jié)分析，搭建如圖4. 2所示的功頻控制器的仿真模型。圖4. 2功頻控制器仿真模型圖中的f*設(shè)置值為50慣性輸出特性是同步電機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)，是設(shè)計(jì)虛擬同步電機(jī)算法能夠良好實(shí)現(xiàn)輸出特性不可或缺的環(huán)節(jié)。下圖4. 3為系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的仿真模型，Pm是上述功頻控制器 輸出的機(jī)械功頻，Pe是系統(tǒng)輸出的電磁功率，Constant模塊所示常數(shù)50表示系統(tǒng)的 額定角頻率，J表示為虛擬同步發(fā)電機(jī)設(shè)定的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣

45、量，取值為 0.22kg m2。圖4. 3慣性環(huán)節(jié)模型4.3.2勵(lì)磁調(diào)節(jié)器仿真根據(jù)3.3無(wú)功調(diào)節(jié)中的分析，搭建如圖4. 4所示的虛擬同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)環(huán)節(jié) 的仿真電路：u圖4. 4勵(lì)磁調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的仿真模型圖中Qn是虛擬同步發(fā)電機(jī)的額定無(wú)功功率的設(shè)定值，Q表示虛擬同步發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的實(shí)際輸出值，U表示測(cè)量所得實(shí)際并網(wǎng)電壓的幅值。二者經(jīng)過(guò)比較得出一個(gè) 差值丄Q,該值再經(jīng)過(guò)比例環(huán)節(jié)就得到電壓幅值的差值U _ U與電網(wǎng)電壓的額定值Un求和即產(chǎn)生并網(wǎng)點(diǎn)的電壓指令值Uref。實(shí)際并網(wǎng)電壓幅值與并網(wǎng)點(diǎn)電壓設(shè)定值比較后再進(jìn)行比例積分。4.3.3三相調(diào)制波仿真三相調(diào)制波模型如圖4. 5所示：圖中E為勵(lì)磁電壓，Su

46、bsystem模塊為4.3.1節(jié)中的慣性環(huán)節(jié)。取經(jīng)驗(yàn)值 311V。Pm為有功調(diào)價(jià)環(huán)節(jié)的機(jī)械功頻。P為Fen、Fcn1、Fcn2框圖內(nèi)函數(shù)分別為“ Si n( U(1) ”、“sin(u(1)(2/3)審 pi) ”、“(S u(1) + (2/3)審 pi) ”。E圖4. 5三相調(diào)制波仿真模型4.4仿真結(jié)果與分析4.4.1孤島模式仿真分析模擬虛擬同步發(fā)電機(jī)在離網(wǎng)的孤島模式下的運(yùn)行狀態(tài)，其各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如表4. 1所示。表4. 1參數(shù)表參數(shù)參數(shù)取值慣性時(shí)間常數(shù)H0.5阻尼系數(shù)D10有功-頻率下垂系數(shù)Dp0.05無(wú)功-電壓卜垂系數(shù)Dq0.05積分系數(shù)Kq0.4系統(tǒng)的變量設(shè)定過(guò)程如下：設(shè)置頻率為 50

47、HZ、公共母線線電壓有效值為380V ； 仿真時(shí)先使其帶5KW的純阻性負(fù)載運(yùn)行，5.5s后將系統(tǒng)的輸出有功功率增至4KW， 再0.5s后將輸出無(wú)功功率增至IKvar。在這些參數(shù)下對(duì)電路模型進(jìn)行仿真， 得到其在 孤島模式獨(dú)立帶負(fù)荷下的有功功率、無(wú)功功率、系統(tǒng)頻率、及電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形如 下圖4. 6所示：3803405 3 1密d5150 5L cI11II- - - .4. - « .V1*»W1!-*4VA=I1|丄1E115.2 54 5,6 5.8662 &46.6 6.87tls圖4. 6孤島運(yùn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)虛擬同步發(fā)電機(jī)處于孤島運(yùn)行，負(fù)載變化所引起的變化無(wú)功功

48、率與有功功率都可 以較快的做出響應(yīng)。有功調(diào)節(jié)使得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率可在有功功率增加時(shí)降低， 無(wú)功調(diào) 節(jié)使得線電壓可在無(wú)功功率增加時(shí)降低。系統(tǒng)的有功功率增加時(shí)，還會(huì)對(duì)電壓產(chǎn)生影 響；無(wú)功功率增加時(shí)，系統(tǒng)的頻率幾乎不變，其主要影響系統(tǒng)的端電壓。本次仿真中， 重點(diǎn)體現(xiàn)了控制的下垂特性，仍屬于有差調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率基本維持在額定值， 說(shuō)明在該參數(shù)設(shè)置下的虛擬同步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的一次調(diào)頻特性的模擬。4.4.2阻尼參數(shù)與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的研究在對(duì)虛擬同步電機(jī)的慣性模擬的設(shè)計(jì)中，為優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程而引入了阻尼和慣 性這兩個(gè)變量。正因如此并網(wǎng)逆變器才具備了同步性能， 使其在有功功率和無(wú)功功率 的輸出上表現(xiàn)出了類似于同

49、步電機(jī)的震蕩特性。 現(xiàn)對(duì)比這兩個(gè)變量的改變對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生 的影響。一般的，對(duì)于傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)而言，其自然振蕩角頻率在0.62815.7rad/s之間, 在阻尼系數(shù)不夠大是會(huì)引起電網(wǎng)功率的低頻振蕩， 是電網(wǎng)安全穩(wěn)定的一大隱患；然而, 對(duì)于虛擬同步發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，慣性和阻尼參數(shù)是可以人為定制的。 下面是對(duì)不同參數(shù)下 的比較。下圖4. 7為系統(tǒng)在不同慣性參數(shù)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。圖4. 7不同慣性參數(shù)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)由圖可見，慣性參數(shù)決定了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中的振蕩頻率。當(dāng)慣性參數(shù)取 0.2kg m2時(shí)，震蕩頻率較高；該參數(shù)的減小會(huì)使震蕩頻率升高。下圖4. 8為系統(tǒng)在不同阻尼系數(shù)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。圖4. 8不同阻尼

50、系數(shù)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)由圖可見，阻尼參數(shù)決定了系統(tǒng)振蕩衰減的速率。 15.25的值是按最優(yōu)二次系統(tǒng) 整定得到的阻尼，此參數(shù)下的系統(tǒng)很快完成衰減；而伴隨著此值的減小，振蕩衰減的 時(shí)間會(huì)逐漸增加，即速率減緩。由以上比較，由于慣性和阻尼特性的引入，虛擬同步發(fā)電機(jī)的輸出有功和無(wú)功功 率在動(dòng)態(tài)過(guò)程中出現(xiàn)了與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)一致的振蕩特性。 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的振蕩頻率由轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量決定，震蕩衰減速率由阻尼系數(shù)決定。 合理設(shè)置這兩個(gè)參數(shù)，能使分布式電源 接入電力系統(tǒng)時(shí)的阻尼和慣性得到提高，從而緩解甚至消除分布式電源并網(wǎng)帶來(lái)的頻 率與電壓波動(dòng)上的負(fù)面作用。4.4.3濾波器參數(shù)的整定本設(shè)計(jì)中電阻R取值10hms,電感取值2mH,

51、電容取值1.2mF。設(shè)置直流電源的電壓幅值為800V，此時(shí)虛擬同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、 主電路電流波形圖如圖4. 9、圖4. 10所示：圖4. 10主電路電流此時(shí)電壓水平和電流水平適宜，頻率也在 50Hz左右，便于并網(wǎng)。鑒于電感是串聯(lián)于逆變電源的主電路中，而電容是并聯(lián)于主回路中的，現(xiàn)對(duì)比改變主電路電感的取值對(duì)系統(tǒng)的影響現(xiàn)更改電感的取值，將其設(shè)為 0.5mH后的電路電流輸出波形如圖4. 11所示:1-3001(1.02O.OG004D.0&0.070.0®0090.05血圖4. 11 L=0.5mH時(shí)主電路電流由圖可見，此時(shí)電流波形發(fā)生了較大變化。 主要原因是電感值取值過(guò)小，導(dǎo)致諧

52、 波在主回路中的電流過(guò)大，對(duì)輸出電能質(zhì)量的影響很大。電感取值過(guò)低顯然不適合設(shè)計(jì)要求，該值的增加也會(huì)對(duì)電網(wǎng)有相應(yīng)影響。 將其取值為5mH時(shí)，機(jī)端電壓波形如圖4.12所示:Q.Q10.020.030.040.050.060.07O0.09圖4. 12 L=5mH時(shí)機(jī)端電壓電壓峰值較之前的水由圖可見，電感增加后線路電壓降顯然有較大程度的升高, 平升高了 200V左右。因此認(rèn)為，電感值取值過(guò)大引起電壓降偏大，對(duì)輸出電壓幅值 有很大影響。可得出結(jié)論，合理設(shè)置濾波器的參數(shù)，可以使諧波得到極大的抑制，而且50Hz的正弦波也可以基本不失真的輸出。結(jié) 論虛擬同步發(fā)電機(jī)有利于分布式電源的并網(wǎng)問(wèn)題， 其控制策略使逆

53、變器能夠以同步 發(fā)電機(jī)的特性輸出功率，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定頻率與電壓的目的。功頻控制的設(shè)計(jì)降低了負(fù)載 波動(dòng)帶來(lái)的影響，勵(lì)磁控制的添加穩(wěn)定了輸出的電壓水平。 其中各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置十分 關(guān)鍵，濾波器設(shè)計(jì)、下垂系數(shù)等都直接影響系統(tǒng)的頻率和電壓的輸出。仿真結(jié)果不僅展示了虛擬同步發(fā)電機(jī)良好的輸出性能，也體現(xiàn)出了模擬同步發(fā)電機(jī)的外特性的研究 思路的正確性。這個(gè)課題的研究使我對(duì)現(xiàn)代供電現(xiàn)狀有了新的認(rèn)識(shí)，可再生能源在發(fā)電方式中的 使用逐漸成為主流趨勢(shì)。由同步發(fā)電機(jī)的工作特征出發(fā)，到虛擬同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)中 體現(xiàn)出的科學(xué)思維也使我受益匪淺。 解決問(wèn)題就要從根源出發(fā)，尋求思路。設(shè)計(jì)中的 仿真用MATLAB/SIMULINK 實(shí)

54、現(xiàn)，邊學(xué)習(xí)邊應(yīng)用的過(guò)程中，對(duì)其用法的掌握也更加 熟練。分布式發(fā)電以其高效率、無(wú)污染、低投資等優(yōu)點(diǎn)必將迅速發(fā)展，虛擬同步發(fā)電機(jī) 的研究顯得尤為必要。這項(xiàng)技術(shù)的使用大大加強(qiáng)了微電網(wǎng)并網(wǎng)的穩(wěn)定，具有很大的現(xiàn) 實(shí)意義。參考文獻(xiàn)1 吳恒，阮新波，楊東升，陳欣然，鐘慶昌，呂志鵬.虛擬同步發(fā)電機(jī)功率環(huán)的建模與參數(shù)設(shè)計(jì)J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015, 35(24): 6508-6518.2 Che n Y，Hesse R Tursch ner D et al.lmpro ving the grid power quality using virtual synchronous mach ines C/Proceedi ngs of Intern ati onal Conference on Power Engin eering En ergy and Electrical Drivers. Torremoli nos Spa in: IEEE, 2011： 1-6.3 Guerrero J M, Garcia De Vicuna L, Matas J et al. Output impe