基于同步发电机五阶方程的微网逆变电源控制策略的研究

　　内容摘要：本文提出了一种基于同步发电机五阶方程的微网逆变电源控制策略。模拟同步发电机的运行原理，设计虚拟励磁控制器来控制逆变电源的输出无功功率和端电压，设计虚拟励磁控制器来控制逆变电源输出的有功功率和频率。含有同步发电机五阶方程和机械方程的微网逆变电源，具有大的转动惯量。在Matlab 中搭建模型，仿真结果证明所设计的微网逆变电源具有良好的下垂特性和大的转动惯量，可以有效减缓负载有功功率冲击引起的频率突变，提高微网逆变电源的频率稳定性。

　　关键词：虚拟同步发电机,同步发电机五阶方程,功率控制,频率控制

　　1.引言

　　随着光伏发电，风力发电，燃料电池，微型涡轮机等分布式发电在电网中所占的比例越来越大，新能源发电是否稳定可靠，影响到电力系统的稳定性。新能源发电装置一般都通过电力电子装置与电网相连，其运行特性和控制策略与常规电力系统中的同步发电机差别较大。【1】因此设计新的逆变电源控制策略，减小新能源发电与同步发电机发电的差异非常重要。文献【2】首先提出了静止同步发电机(StatICSynchronous Generator —— SSG)的概念，具体说就是静止的、自换流的、由专用电源供电，运行后可输出多相可调的电压，连接到交流电网时，可与电网自由交互功率的变换器。

　　文献【3】提出虚拟同步机(VirtualSynchronous Machine —— VISMA)的概念，测量了与电网的公共连接点处的电压，用来计算VISMA 的实时相电流，并以此作为参考电流，使逆变器以电流源的形式连接到电网中去。文献【4-5】指出分布式发电由于没有一些能量储存的途径，没有虚拟惯量，但是通过增加短期的储能系统能够使虚拟惯量加入任何的分布式发电单元中，有助于电网短期的频率稳定，初步探讨了虚拟同步发电机VSG(Virtual SynchronousGenerator，VSG)的运行模式。这几篇文献主要对虚拟同步发动机进行了初步探索，但还未对虚拟同步发动机的建模及其控制系统优化做进一步的研究。文献【6-7】对虚拟同步机在abc 坐标系下进行了建模和仿真研究，给出了向电网发送有功无功功率的仿真研究，但无功功率和有功功率有耦合干扰，系统的动态过程及虚拟同步机其他特性有待进一步研究。

　　本文根据同步发电机的运行原理，提出一种基于同步发电机五阶方程的微网逆变电源控制策略，设计虚拟励磁控制器来控制逆变电源的输出无功功率和端电压，设计虚拟转矩控制器来控制逆变电源输出的有功功率和频率。详细阐释了五阶虚拟同步发电机的工作原理，通过仿真验证五阶虚拟同步发电机具有良好的下垂特性和大的转动惯量，可以有效减缓负载冲击引起的频率突变，提高微网逆变电源的频率稳定性。

　　2.基于五阶方程的虚拟同步发电机的原理与设计

　　2.1 虚拟同步发电机系统的结构和工作原理

　　虚拟励磁控制器通过实时监测发电机的端电压U和输出无功功率Q，根据U 和Q 的变化调节励磁电压的大小，从而控制逆变电源输出的无功和端电压。

　　2.2 虚拟转矩控制器的设计

　　对同步发电机调速系统进行分析，将功频调节静特性应用到逆变器虚拟同步发电机系统中去，用于调节有功功率和频率，控制框图如图3 所示。

根据同步发电机的机械方程，可计算出同步角速度ω 和电角度θ。2.3 同步发电机的本体数学模型本论文采用dq 坐标系下同步发电机的五阶电压方程、磁链方程以及转子运动方程建立VSG 逆变器本体模型，会有助于进行VSG 的动态响应特性分析，并可以进一步提高VSG 的控制性能。同步发电机电压、磁链的park 方程可分别由方程式(5)、(6)表示【8-10】：

　　3.基于五阶方程的VSG 的单机仿真及结果分析VSG 的额定频率为50Hz，线电压有效值为380V，额定容量为10kW。

　　3.1 VSG 下垂特性的仿真

Δu=ΔQ•Dq=5v。说明VSG 遵循同步发电机无功-电压
下垂特性曲线。

　　4. 结语

　　本文提出了一种基于同步发电机五阶方程的微电网逆变电源控制策略，设计了五阶方程虚拟同步发电机。通过单机系统的仿真，验证了五阶虚拟同步发电机具备同步发电机的P-f、Q-U 的下垂特性和转动惯量的特性;所设计的虚拟同步发电机可具备较大的转动惯量，对负载有功冲击引起的频率突变，有很好抑制作用。保证分布式发电系统频率的稳定性，提高供电可靠性。

　　参考文献

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