基于虚拟同步发电机的微电网控制方法研究

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基于虚拟同步发电机的微网频率与电压综合控制策略

文献 [6 ]定量刻画了虚拟惯量的引人对系统频率扰动抑制能力的影响。文献 [7-8]通过自适应配置虚拟惯量等相关参数来调节并网系统的等效惯性，改善了暂态过程的动态响应。文献 [9-11]根据扰动时系统运行点在功-角曲线上的运动趋势，给出了一种虚拟转子惯量的棒 -棒控制策略，使得系统的暂态响应有所改善。文献 [12]在此基础上加人阻尼系数的自适应调节，与惯量系数相协调进行交错控制，进一步改善了频率的暂态响应特性。上述文献证明了虚拟惯量的引人有助于系统频率稳定性的提升。在频率恢复方面，文献 [13-14]通过在阻尼环节加人积分器实现了 VSG频率的二次调整，其重点考虑了 VSG 的频率调节功能，但并没有对 VSG 的电压控制策略作进一步研究。在选取阻尼参考值方面，文献 [4-9, 13-14]选取额定角频率为阻尼环节的参考值，文献 [10-12]选取电网角频率为阻尼环节的参考值，但没有对比分析这2 种选取方案对转子频率造成的影响。
收稿日期 :2 0 丨9 - 0 丨- 0 6 ; 修回日期：2 0 1 9 -丨1-30 基金项目：国家自然科学基金资助项目（61867003,61263004); 甘肃省科技计划资助项目（17JR5RA083);兰州交通大学优秀科研团队资助项目（201701) Project supported by the National Natural Science Founda tion of Chinat 61867003,61263004) , ihe Science and Tech nology Program of Gansu Province ( 17JR5RA083) and the Program for Excellent Team of Scientific Research in Lan zhou Jiaotong University(201701)

虚拟同步发电机的并联控制策略研究

虚拟同步发电机的并联控制策略研究作者：王亚楠晏鹏博来源：《现代信息科技》2020年第14期摘要：针对基于虚拟同步发电机运行的逆变器并联控制策略进行研究，分析了微电网中逆变器并联功率分配机理。

将传统电力系统中的集中控制方式引入微电网逆变电源中，使逆变器具有同步发电机的大惯量特性，且各并联逆变器输出电压一致，有功功率和无功功率按额定容量比精确分配，并保证并联逆变器具有良好的动态和静态特性。

最后通过仿真验证了所提出控制策略的可行性。

关键词：虚拟同步发电机;逆变器并联;集中式控制方式;功率分配Abstract：The parallel control strategy of inverters based on virtual synchronous generator operation is studied，and the parallel power distribution mechanism of inverters in microgrid is analyzed. The centralized control method of traditional power system is introduced into the microgrid inverter power supply，which makes the inverter have the characteristics of large inertia of synchronous generator，the output voltage of each parallel inverter is consistent，the active power and reactive power are accurately distributed according to the rated capacity ratio，and the parallel inverter has good dynamic and static characteristics. Finally，the feasibility of the proposed control strategy is verified by simulation.Keywords：virtual synchronous generator;parallel inverters;centralized control mode;power distribution0 引言虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator，VSG）多台并联功率控制方法中，微电网既对功率调度单元进行功率控制，又对调频调压单元的电网动态调整，还具有一定鲁棒性，并能减少电源设计参数、非线性负荷以及连接阻抗对系统稳定性的影响。

基于虚拟同步发电机技术的微电网逆变器控制方法

基于虚拟同步发电机技术的微电网逆变器控制方法王正;陈其工;高文根【摘要】在介绍典型的虚拟同步发电机技术以及传统的频率下垂控制策略的基础上,提出一种新型的虚拟同步发电机技术,让微电网既有下垂控制特性,又具备类似同步发电机转子的特性.通过分析对比不同频率下系统的稳定性,验证了控制策略的有效性.【期刊名称】《重庆科技学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(018)003【总页数】4页(P129-132)【关键词】微电网;控制策略;虚拟同步发电机;频率稳定性【作者】王正;陈其工;高文根【作者单位】安徽工程大学安徽省检测技术与节能装置重点实验室,安徽芜湖241000;安徽工程大学安徽省检测技术与节能装置重点实验室,安徽芜湖 241000;安徽工程大学安徽省检测技术与节能装置重点实验室,安徽芜湖 241000【正文语种】中文【中图分类】TM464近年来，能源短缺问题日趋严重。

在各国政府的大力支持下，微电网发电技术以其高效的能源利用率、高可靠性、小污染等诸多优点成为国内外研究的热点[1-2]。

与传统的同步发电机相比，分布式发电技术大部分采用电力电子接口逆变器接入电网，带有接口逆变器的微电网响应速度快，缺少类似同步发电机的转子环节惯性[3]。

目前国内外许多机构、高校的学者对虚拟同步发电机技术进行了广泛研究，许多虚拟同步发电机技术VSG(Virtual Synchronous Generator)应运而生。

比利时鲁汶大学提出的VSG技术[4]，虽然模拟了同步发电机的一次调频特性，但是同步发电机的励磁环节未能准确反映出来；克劳斯塔尔工业大学提出的VSG技术[5]，虽然更好地模拟出同步发电机的一次调频、一次调压特性，但是控制精度受参数的影响；加拿大多伦多大学提出的VSG技术[6]，未能反应同步发电机的电磁暂态过程；清华大学提出的VSG技术[7]，虽然能支撑系统的频率，但是在多机并联运行时因惯性环节的存在，使得系统机组均流速度变慢；Driesen等人提出的VSG技术，是在逆变器中添加一个能够短期储能的装置，虽然可以有助于电网频率的短期稳定，但是从动力学的角度看不适用于同步发电机的设计。

基于非线性PID_的微电网虚拟同步发电机控制

第41卷　第6期吉林大学学报(信息科学版)Vol.41　No.62023年11月Journal of Jilin University (Information Science Edition)Nov.2023文章编号:1671⁃5896(2023)06⁃1015⁃08基于非线性PID 的微电网虚拟同步发电机控制收稿日期:2022⁃11⁃29基金项目:海南省重点研发基金资助项目(ZDYF2022GXJS003)作者简介:付光杰(1962 ),女,吉林通化人,东北石油大学教授,博士生导师,主要从事电力电子技术应用㊁电机调速控制技术和电力系统节能技术等研究,(Tel)86⁃139****0179(E⁃mail)fgjmhw@㊂付光杰,陈啟梁(东北石油大学电气信息工程学院,黑龙江大庆163318)摘要:为解决传统虚拟同步发电机(VSG:Virtual Synchronous Generator)电压电流双闭环控制的抗扰动性能差,受系统参数变化及各种不确定影响较大等问题,在建立微电网VSG 转动惯量自适应控制模型的基础上,采用一种基于跟踪微分器的非线性PID(Proportion Integration Differentiation)实现电压外环和电流内环的控制,并根据输出信号的反馈值实时调节系统动态响应,从而达到稳定输出的效果㊂通过仿真验证了基于非线性PID 的微电网虚拟同步发电机双闭环控制的正确性和有效性㊂关键词:微电网;虚拟同步发电机;转动惯量自适应;电压电流双闭环控制;非线性PID中图分类号:TP13;TM727文献标志码:AControl of Microgrid Virtual Synchronous Generator Based on Nonlinear PIDFU Guangjie,CHEN Qiliang(School of Electrical and Information Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)Abstract :In traditional VSG (Virtual Synchronous Generator)voltage and current double closed⁃loop control,the anti⁃disturbance performance is poor,and the influence of system parameter changes and uncertainties is great.In order to solve the problems,a nonlinear PID(Proportion Integration Differentiation)based on tracking differentiator is used to control the outer voltage loop and the inner current loop,and the dynamic response of the system is adjusted in real time according to the feedback value of the output signal,so as to achieve the effect of stable output.The correctness and effectiveness of the double closed⁃loop control of microgrid virtual synchronous generator based on nonlinear PID are verified by simulation.Key words :microgrid;virtual synchronous generator;moment of inertia adaptive;voltage and current double closed⁃loop control;nonlinear proportional integration and differentiation (PID)0　引　言VSG(Virtual Synchronous Generator)控制技术在微网运用时,若参数设置不合理,系统性能会受到很大影响[1⁃3],其中当虚拟转动惯量过大时,系统响应速度会降低,频率振荡周期明显且延长㊂为解决传统微电网逆变器运行时输出阻抗小㊁阻尼小等问题,张玉治等[4]设计了原动机调节和励磁调节,模拟了同步发电机的转动惯量,使逆变器具有频率和电压幅值对外下垂的特性,但其将转动惯量设为定参,对外部干扰的抵抗能力差㊂张亚楠等[5]提出的虚拟同步发电机控制策略兼顾了系统的二次调频特性,基本实现了对频率的无差控制,其转动惯量J 在VSG 中的作用也得到了进一步地验证,但没有给出相关系数的具体算法;程国栋等[6]对其进行了改进,并针对频率超调和负荷波动给系统稳定性带来的影响,提出了一种转动惯量自适应的控制策略㊂经过仿真实验,转动惯量自适应控制策略的可行性得到了验证,但在VSG 电压电流双闭环中,PID(Proportion Integration Differentiation)控制的调节时间较长,系统趋于稳态的速度较慢㊂非线性PID 控制理论通过从系统的输入㊁输出中提炼出系统的扰动信息,并将其补偿到控制环路中实现扰动抵消,从而使系统的控制性能得到进一步的提升㊂目前,国内外学者对非线性PID 控制进行了大量研究,结果表明该控制方案具备较好的电压电流跟踪㊁扰动抑制性能[7⁃8]㊂针对文献[6]显露出的问题,笔者在原功率控制环中转动惯量自适应算法不变的情况下,采用非线性PID 替代传统电压电流控制环中的线性PID,实现微电网虚拟同步发电机电压电流环模块的控制,能为系统输入安排过渡过程,消除了超调量和上升时间的矛盾,减少了扰动时间,加快系统的稳定[9⁃10]㊂因此,该控制方法非常适用于微电网系统㊂1　VSG 转动惯量自适应控制的微电网结构1.1　虚拟同步发电机控制策略VSG 控制策略主要是由功率控制环和输出电压控制环两部分构成,三相参考电压经功率控制环(有功⁃频率㊁无功⁃电压控制)和计算环节产生,再通过dq 坐标系下的输出电压控制环(电压电流双闭环控制)得到相对应的调制波,通过PWM(Pulse Width Modulation)调制后,得到调制信号,即可控制逆变桥中电力电子器件的通断㊂其总体控制框图如图1所示㊂图1　VSG 总体控制框图Fig.1　VSG overall control block diagram 图2　J 的自适应控制整体框图Fig.2　Overall block diagram of adaptive control of J 由于传统VSG 功率控制环中,转动惯量J 为定参,无法适应多扰动场合,在保证不破坏系统安全稳定运行的前提下,为提高VSG 在遭受干扰后恢复到稳态运行的快速性,在功率控环部分设计了转动惯量自适应控制算法,其转动惯量J 的取值可根据系统的运行状况进行适当调节,图2为具体的转动惯量控制框图㊂2　基于非线性PID 的电压电流双闭环控制笔者主要以VSG 控制的微电网为研究对象,在原功率控制环中转动惯量自适应算法不变的情况下,针对电压电流双闭环控制模块,采用非线性PID 进行了改进,使电网能在多变的使用环境中显现更好的性能㊂系统的闭环控制模块由功率环和输出电压控制环构成,功率环部分仍是基于P⁃ω㊁Q⁃U 控制的转动惯量自适应策略,输出电压控制环部分在原电压电流双闭环的基础上加入非线性PID 的控制方式,其主要包括电压电流双闭环控制器㊁非线性跟踪微分器和非线性组合3个控制部分㊂控制框图如图3所示,图3中e a ㊁e b ㊁e c 为机端电压,i 1a ㊁i 1b ㊁i 1c 和i 2a ㊁i 2b ㊁i 2c 分别为变流器侧电感电流和输出侧电流,u d ㊁u q ㊁i 1d ㊁i 1q 和i 2d ㊁i 2q 分别为机端电压㊁变流器侧电感电流以及输出侧电流在两相旋转坐标系下的分量,在整个输出电压控制中,电压和电流环均采用非线性PID 控制,并增加去耦补偿以消除dq 轴之间的交叉耦合,最终得到的电压指令值经坐标变换输送给PWM 控制器产生驱动信号,然后进行三相桥臂中功率开关器件的通断控制㊂6101吉林大学学报(信息科学版)第41卷图3　基于非线性PID 的电压电流双闭环控制框图Fig.3　Block diagram of voltage⁃current double closed loop control based on nonlinear PID 输出电压参考值E 通过非线性跟踪微分器(Ⅰ)进行理想过渡并得出微分信号,有功电压u d 经跟踪微分器(Ⅱ)进行滤波并得出微分信号,同时,比较前面所得的两个微分信号产生比例和微分偏差信号e 1和e 2,再将偏差信号e 2进行积分得到积分偏差信号e 0,信号e 1㊁e 2和e 0经非线性组合,与ωC 与无功电压u q 乘积作比较生成有功电流i 1d 的指令值㊂跟踪微分器(Ⅳ)接收到i 1d 与其指令值后,得出的微分信号与有功电流i 2d 通过跟踪微分器(Ⅳ)得出的微分信号作比较后作为非线性组合(Ⅲ)的输入,控制系统的有功电压指令可由无功电流i 2q ㊁ωL 的乘积与非线性组合(Ⅲ)的输入差得到㊂系统输出无功电压u q 经非线性跟踪微分器(Ⅲ)进行理想过渡并得出微分信号后与参考分量u *q 进行比较得到非线性组合(Ⅱ)的输入,再将其与有功电压u d ㊁ωC 乘积叠加得到无功电流i 1q 的指令值,同理,再经微分跟踪器(Ⅴ)㊁微分跟踪器(Ⅵ)㊁微分跟踪器(Ⅶ)以及非线性组合(Ⅳ)可得到控制系统无功电压指令值㊂改进后的电压电流双闭环控制能针对反馈信号进行滤波处理,在高频多扰动的场景尤其适用㊂同时,考虑到微电网系统的非线性特点,无法获取较为精确的数学模型,在使用智能先进的控制策略时会出现输出波形不理想的情况㊂而非线性PID 控制的特性恰好契合于数学模型精确度不高的系统,且设计过程不依赖系统参数,具有较强的抗干扰能力㊂此外,由于该控制方法在系统干扰和其各阶导数两个方面都能进行估算,所以估计精度有了更大的提升㊂2.1　非线性PID 控制器的基本架构非线性PID 控制器结构如图4所示,非线性PID 控制器由两个跟踪微分器(TD:Tracking Differentiator)和一个非线性组合组成㊂其中v 1和v 2是跟踪微分器(Ⅰ)对参考输入v (t )执行理想的过渡过程并提取参考输入信号而产生的微分信号;y 1和y 2是跟踪微分器(Ⅱ)对原系统输出y (t )进行滤波而产生的微分信号㊂控制器根据微分信号v 1㊁v 2以及y 1㊁y 2产生比例和微分偏差信号e 1和e 2,积分偏差信号e 0由对e 2积分得到;将偏差信号e 0㊁e 1㊁e 2进行非线性组合,从而产生非线性PID 控制器的输出控制量㊂图4　非线性PID 控制器结构Fig.4　Nonlinear PID controller structure 2.2　非线性跟踪微分器非线性跟踪微分器输入信号v (t ),将输出信号x 1和x 2,其中x 1跟踪v (t ),x 2作为v (t )的近似微分㊂设线性二阶系统为7101第6期付光杰,等:基于非线性PID 的微电网虚拟同步发电机控制̇x 1=x 2,̇x 2=u ,　u ≤r {㊂(1)式(1)的快速最优控制”综合系统为̇x 1=x 2,̇x 2=-r sgn x 1-v (t )+x 2x 2æèçöø÷r ìîíïïï㊂(2) 为避免系统进入稳态时产生高频颤振”,直接给出跟踪微分器TD 的离散形式㊂设离散控制系统:x 1(k +1)=x 1(k )+Tx 2(k ),x 2(k +1)=x 2(k )+T ㊃f [x 1(k ),x 2(k ),v (k ),r ,h {],(3)其中h 为滤波因子,r 为速度因子,T 为跟踪步长,v (k )为系统的输入,x 1(k )为信号的跟踪输出,x 2(k )为信号微分的输出㊂函数f 计算如下:δ=rh ,δ0=δh ,d =x 1-v +hx 2,a 0=δ2+8r d ,a =x 2+d /h ,d ≤δ0,x 2+0.5(a 0-δ)sgn(d ),d >δ0{,f =-ra /δ,a ≤δ,-r sgn(a ),a >δ{ìîíïïïïïïïïïïïï,(4)其中x 1和x 2为离散后跟踪微分器的状态变量㊂r 和h 为变参,其中h 为滤波因子,r 为反映跟踪快慢的速度因子,影响跟踪微分器的速度和噪声过滤功能,sgn(x )为符号函数㊂2.3　非线性组合两个跟踪微分器的输出分别为v 1,v 2和y 1,y 2,则偏差信号e 0㊁e 1㊁e 2如下:e 1=v 1-y 1,e 2=v 2-y 2,e 0=∫t 0e 1d t ìîíïïïï㊂(5) 根据式(5)中关于偏差信号的表达,非线性组合设计如下:u (t )=K p g (e 1,α1,δ1)+K I g (e 0,α0,δ0)+K D g (e 2,α2,δ2),(6)其中K P ㊁K I ㊁K D 分别为控制器中比例环节㊁积分环节以及微分环节的增益系数,非线性函数g (e ,a ,δ)如下:g (e ,a ,δ)=e δ1-α,e ≤δ,e αsign(e ),e >δ{,(7)其中参数α为影响函数的非线性程度,参数δ为影响函数的非线性区间大小㊂2.4　参数整定盛贤君等[11]与晏东[12]给出了跟踪微分器的参数整定方法㊂晏东[12]描述了工程实践中参数h 的取值过程,针对参数r ,盛贤君等[11]给出了跟踪微分器带宽w 与r 的代数关系:w =1.14r ㊂(8) 推导可得r 最小可取r 0=w 20/1.142,经仿真分析确定r 的近似值㊂通常r 的取值越大,跟踪微分器8101吉林大学学报(信息科学版)第41卷跟踪响应越快㊂关于非线性组合的其他参数整定大多通过仿真进行调参,在此不进行赘述㊂3　仿真验证3.1　仿真模型验证为验证上述控制策略的正确性和有效性,对其进行孤岛模式仿真实验㊂设定系统初始稳定运行时,系统有功功率负载20kW,无功功率5kVar,输出频率为50Hz㊂3.1.1　负载突变时输出有功功率和输出频率分析在0.1s 时,有功负载增加8kW,系统输出有功功率和频率的波形变化曲线如图5所示㊂当有功负载增加时,系统输出频率降低,由仿真结果可知系统输出频率最终稳定在约49.62Hz,鉴于新能源发电系统对频率变化范围的规定为49.5~50.2Hz,符合要求㊂图5　非线性PID 控制下有功负载突变时输出波形Fig.5　Output waveform when the active load changes under nonlinear PID control 3.1.2　负载突变时输出无功功率和电压分析在0.1s 时,无功负载增加1kVar,系统输出无功功率和电压的波形变化曲线如图6所示㊂当无功负载增加时,系统输出电压降低,由仿真结果可知系统输出电压幅值最终稳定在约305V,变化幅度为1.61%,鉴于新能源发电对电压幅值变化范围要求为±10%,虽然实际输出与其有微小的误差,但基本符合要求㊂图6　非线性PID 控制下无功负载突变时输出波形Fig.6　Output waveform when reactive load changes under nonlinear PID control 3.2　仿真波形比较及分析为验证加入非线性PID 电压电流双闭环控制的效果,将其与传统PID 电压电流双闭环控制的启动波形响应时间进行对比㊂同时,在系统稳定运行时的某一时刻(0.3s)进行有功负载突变实验,进行非线性PID 电压电流双闭环控制及仿真结果对比㊂3.2.1　启动波形图7为系统稳态时交流侧输出电流波形㊂如图7a 为传统PID 控制下的交流侧输出电流波形,可以看出系统在0.02s 左右完成了稳定输出;非线性PID 控制下的交流侧输出电流波形如图7b 所示,系统9101第6期付光杰,等:基于非线性PID 的微电网虚拟同步发电机控制在0.01s 左右快速完成了稳定输出㊂仿真结果表明,非线性PID 控制能实现系统交流侧电流快速达到稳定状态㊂图7　交流侧输出电流波形Fig.7　AC output current waveform 图8为传统PID 控制及非线性PID 控制的交流侧电压快速傅里叶变换比较㊂传统PID 控制时,如图8a 所示,基波电流为44.5A,三相电流总谐波畸变为1.57%;非线性PID 控制时,如图8b 所示,基波电流为44.5A,三相电流总谐波畸变为0.59%㊂结果表明,非线性PID 控制能有效降低系统交流侧电流谐波含量,同时提高系统性能㊂图8　输出电流谐波分析Fig.8　Output current harmonic analysis 3.2.2　负载突变时波形分析在0.3s 进行有功负载突变实验,图9为系统在有功负载突增时的输出电流波形㊂如图9a 所示,传统PID 控制下的有功负载突增时交流侧输出电流波形在0.3s 有功负载突增一倍时,系统在0.04s 后完成下一个稳态运行;非线性PID 控制下的有功负载突增时交流侧输出电流波形如图9b 所示㊂图9　有功负载突增时输出电流波形Fig.9　Output current waveform when active load surges 0201吉林大学学报(信息科学版)第41卷当0.3s 有功负载突增一倍时,系统在0.01s 后迅速完成下一个稳态运行㊂仿真结果表明,当负载突增时,非线性PID 控制能实现系统交流侧电流快速达到下一个稳态输出㊂图10为系统在有功负载突减时的输出电流波形㊂图10a 为传统PID 控制下的有功负载突减时交流侧输出电流波形,可以看出在0.3s 有功负载突减至10kW 时,系统在其后完成下一个稳态运行;非线性PID 控制下的有功负载突减时交流侧输出电流波形如图10b 所示,当0.3s 有功负载突减至10kW 时,系统在0.01s 后迅速完成下一个稳态运行㊂仿真结果表明,当负载突减时,非线性PID 控制能实现系统交流侧电流快速达到下一个稳态输出㊂图10　有功负载突减时输出电流波形Fig.10　Output current waveform when active load drops abruptly 4　结　语针对微电网VSG 电压电流双闭环控制模块中传统PI 控制的不足,笔者采用了基于跟踪微分器的非线性PID 控制对双闭环进行改进,并通过仿真平台进行验证㊂首先,当负载突变时,观察系统到达稳态并稳定运行的输出频率㊁电压以及输出功率波形,系统输出稳定㊁响应时间快;其次,对VSG 传统PID 控制与非线性PID 控制进行稳定运行和负载突变的仿真实验对比分析,在加入非线性PID 后,微电网系统只出现了短暂的波动,响应速度加快同时电流谐波含量减少㊂仿真结果表明,该控制算法有效地提高了干扰后系统恢复稳态的速度,并提高了控制精度,具有较强的自适应性和鲁棒性㊂参考文献:[1]ZHONG Q C,WEISS G.Synchronverters:Inverters That Mimic Synchronous Generators [J].IEEE Transactions on IndustrialElectronics,2010,58(4):1259⁃1267.[2]付光杰,吕春明,江雨泽,等.含多分布式电源的孤岛微电网改进下垂控制策略[J].吉林大学学报(信息科学版),2020,38(4):402⁃409.FU G J,LÜC M,JIANG Y Z,et al.Has Many Islands of Distributed Power Supply and Power Grid Improved Droop Control Strategy [J].Journal of Jilin University (Information Science Edition),2020,38(4):402⁃409.[3]KAHROBAEIAN A,IBRAHIM MOHAMED A worked⁃Based Hybrid Distributed Power Sharing and Control for Islanded Microgrid Systems [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(2):603⁃617.[4]张玉治,张辉,贺大为,等.具有同步发电机特性的微电网逆变器控制[J].电工技术学报,2014,29(7):261⁃268.ZHANG Y Z,ZHANG H,HE D W,et al.Synchronous Generator Characteristics of Micro Grid Inverter Control [J].Journalof Electrical Engineering Technology,2014,29(7):261⁃268.[5]张亚楠,朱淼,张建文,等.基于自适应调节的微源逆变器虚拟同步发电机控制策略[J].电源学报,2016,14(3):11⁃19.ZHANG Y N,ZHU M,ZHANG J W,et al.Based on Adaptive Adjustment of Micro Source Inverter Control Strategy of Virtual Synchronous Generator [J].Journal of Power,2016,14(3):11⁃19.[6]程国栋,邵宣,王贵峰.虚拟同步发电机参数自适应控制策略[J].可再生能源,2021,39(12):1655⁃1661.CHENG G D,SHAO X,WANG G F.Virtual Synchronous Generator Parameters Adaptive Control Strategies [J].Journal of Renewable Energy,2021,39(12):1655⁃1661.1201第6期付光杰,等:基于非线性PID 的微电网虚拟同步发电机控制2201吉林大学学报(信息科学版)第41卷[7]周勇,曾喆昭.自学习非线性PID抗扰控制原理研究[J].控制工程,2017,63(11):397⁃405.ZHOU Y,ZENG Z Z.Research on Principle of Self⁃Learning Nonlinear PID Disturbance Rejection Control[J].Control Engineering,2017,63(11):397⁃405.[8]SO GUN⁃BAEK,JIN GANG⁃GYOO.Fuzzy⁃Based Nonlinear PID Controller and Its Application to CSTR[J].Korean Journal of Chemical Engineering,2018,35(3):819⁃825.[9]段永杰,王江磊,陈仁涛.自抗扰控制技术研究及应用[J].决策探索(中),2018(7):85⁃86.DUAN Y J,WANG J L,CHEN R T.Research and Application of Active Disturbance Rejection Control Technology[J]. Decision Exploration(Middle),2018(7):85⁃86.[10]IBRAHEEM KASIM IBRAHEEM,WAMEEDH RIYADH ABDUL⁃ADHEEM.On the Improved Nonlinear Tracking Differentiator BASED Nonlinear PID Controller Design[J].International Journal of Advanced Computer Science and Applications(IJACSA),2016,7(10):47⁃56.[11]盛贤君,张亚鹏,许才.基于非线性PID的交叉耦合同步控制器设计[J].组合机床与自动化加工技术,2018(5): 103⁃106.SHENG X J,ZHANG Y P,XU C.Design of Cross⁃Coupled Synchronous Controller Based on Nonlinear PID[J].Modular Machine Tool&Automatic Manufacturing Technique,2018(5):103⁃106.[12]晏东.基于非线性PID的永磁直线同步电机控制策略研究[D].厦门:华侨大学信息科学与工程学院,2018. YAN D.Research on Control Strategy of Permanent Magnet Linear Synchronous Motor Based on Nonlinear PID[D].Xiamen: College of Information Science and Engineering,Huaqiao University,2018.(责任编辑:刘俏亮)。

基于模式平滑切换的虚拟同步发电机低电压穿越控制方法

基于模式平滑切换的虚拟同步发电机低电压穿越控制方法随着可再生能源在电力系统中的比重逐渐增大，虚拟同步发电机（VSG）技术因其良好的电网支撑能力而受到广泛关注。

在电网发生电压跌落时，低电压穿越（LVRT）能力成为评价VSG性能的重要指标。

本文将探讨一种基于模式平滑切换的VSG低电压穿越控制方法。

一、背景介绍虚拟同步发电机（VSG）技术是一种模拟传统同步发电机运行特性的控制策略，使可再生能源发电系统具有与传统同步发电机相似的电网支撑能力。

然而，在电网电压跌落时，VSG系统可能会因过电流、过速等问题而退出运行。

因此，研究VSG的低电压穿越（LVRT）控制方法具有重要意义。

二、模式平滑切换原理模式平滑切换控制方法的核心思想是在电网电压跌落时，通过调整控制策略，使VSG在两种运行模式之间平滑切换，从而实现低电压穿越。

1.正常运行模式：在电网电压正常时，VSG采用与传统同步发电机相似的运行模式，以实现良好的电网支撑能力。

2.低电压穿越模式：当检测到电网电压跌落时，VSG切换至低电压穿越模式，通过调整有功、无功输出，使系统在电压跌落期间保持稳定运行。

三、低电压穿越控制策略1.有功功率控制：在低电压穿越模式下，通过降低有功功率输出，减小VSG对电网的冲击。

2.无功功率控制：在低电压穿越模式下，增加无功功率输出，以提高系统电压，减小电压跌落对设备的影响。

3.切换控制：根据电网电压跌落程度，设计平滑切换策略，使VSG在两种模式之间平滑过渡。

四、仿真验证为验证所提出的基于模式平滑切换的VSG低电压穿越控制方法的有效性，进行仿真实验。

实验结果表明，该方法能够有效实现VSG在电网电压跌落时的低电压穿越，保证系统稳定运行。

五、结论本文提出了一种基于模式平滑切换的虚拟同步发电机低电压穿越控制方法。

该方法通过在电网电压跌落时，调整VSG的有功、无功输出，实现两种运行模式之间的平滑切换，从而提高VSG在低电压穿越过程中的性能。

虚拟同步机微电网控制策略

虚拟同步机微电网控制策略发表时间：2020-12-22T08:03:58.079Z 来源：《中国电业》（发电）》2020年第19期作者：王嘉乐1 鲁卿1 曾梓宸1 [导读] 而微电网是上述能源的主要工作模式，完整的微电网控制策略是保证发电系统顺利运行的前提。

南京南瑞太阳能科技有限公司江苏南京 210000摘要：微电网在工作状态常出现频率不稳和电压失衡情况，导致此问题原因为微电网中分布式电源间歇性工作引发，而虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator，VSG)可有效对微电网系统进行控制，减少微电网频率与电压波动。

虚拟同步机控制可克服传统并网逆变器无惯性给电网带来的冲击，可提升电网接纳可再生能源的能力，在微电网中受到了广泛关注。

本文最后通过仿真实验证实虚拟同步机可主动支撑电网频率恢复。

关键词：虚拟同步机；微电网；控制策略随着我国科技的不断发展，分布式发电正在逐步取代传统电力系统，集中式火电厂和水电厂的供电形式逐渐向新能源发电转型，以分布式发电为主的小规模发电系统在日常生活中得到广泛应用。

近年来，随着绿色环保法规的日趋严格，风、光等可再生资源逐渐得到广泛应用，而微电网是上述能源的主要工作模式，完整的微电网控制策略是保证发电系统顺利运行的前提。

1虚拟同步机的基本原理虚拟同步发电机技术是一种通过模拟同步发电机组的机电暂态特性，使采用变流器的电源具有同步发电机组的惯量、阻尼、一次调频、无功调压等并网运行外特性的技术。

而且虚拟同步机的投入并不需要对电网进行大规模改造，不仅实用性强，还经济实惠。

逆变器装置采用虚拟同步机解耦控制方法、新型并离网控制方法，具有同步发电机等效转动惯量、系统阻尼等特性，可有效解决微网并、离网无缝切换问题，显著提升供电可靠性并产生可观的经济效益。

目前随着新能源并网比例越来越高，电力电子化电力系统成为发展趋势，虚拟同步机的价值将得到充分体现。

1.1虚拟同步机原理VSG技术全称为Virtual Synchronous Generator，VSG技术是将一次性调频和惯量控制进行结合并完成输出的微电网控制技术，与同步发电机一样具备相同的特点，VSG是根据同步发电机原理创造的一种数学模型。

基于虚拟同步发电机的并网逆变器控制策略研究

基于虚拟同步发电机的并网逆变器控制策略研究基于虚拟同步发电机的并网逆变器控制策略研究随着可再生能源的不断发展和应用，光伏系统在电力系统中的比重也越来越大。

并网逆变器作为光伏系统的核心组件，其控制策略对光伏系统的运行和性能具有重要影响。

近年来，基于虚拟同步发电机的并网逆变器控制策略被广泛研究，其具有良好的稳定性和适应性。

虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator，VSG）是一种模拟传统同步发电机的控制方法，它可以将光伏系统与电网有效地连接起来。

VSG控制策略通过控制逆变器的电压和频率，使其与电网保持同步运行，从而实现光伏系统的并网运行。

此外，VSG控制策略还具有电网支持功能，可以提供无功功率和频率响应等特性，增强光伏系统与电网的稳定性。

本文基于虚拟同步发电机的并网逆变器控制策略进行了深入研究。

首先，介绍了光伏系统的基本原理和逆变器的工作原理。

然后，详细阐述了虚拟同步发电机的原理和控制策略。

VSG控制策略主要包括电流控制环和电压控制环两个环节，通过对逆变器输出电流和电压进行精确控制，实现光伏系统与电网的同步运行。

在电流控制环中，采用基于dq坐标系的电流控制方法，通过对逆变器输出电流的反馈控制，实现无功功率的控制。

在电压控制环中，采用频率锁定环控制方法，通过反馈控制逆变器输出电压的频率，实现与电网的同步运行。

接着，本文对虚拟同步发电机的并网逆变器控制策略进行了仿真实验。

采用Matlab/Simulink软件建立了光伏系统模型，对不同工况下的VSG控制策略进行了仿真分析。

仿真结果表明，基于虚拟同步发电机的并网逆变器控制策略具有较高的稳定性和追踪精度，能够有效提高光伏系统的并网性能。

最后，本文对虚拟同步发电机的并网逆变器控制策略进行了优化改进。

结合模糊控制和PID控制方法，提出了一种混合控制策略，能够更好地应对电网故障和并网不稳定等问题。

优化后的虚拟同步发电机控制策略在实验中进行了验证，结果表明其在提高光伏系统与电网的动态响应和稳定性方面取得了明显优势。

基于虚拟同步发电机的光伏逆变器并网控制的研究开题报告

基于虚拟同步发电机的光伏逆变器并网控制的研究开题报告一、研究背景和意义随着能源需求的不断增长和环境污染的加剧，全球对于清洁能源的需求正在逐渐增加。

光伏发电作为一种清洁、可再生的能源形式，具有广泛的应用前景。

与传统的电网相比，光伏发电并网对于其控制策略要求更严格。

其中，光伏逆变器作为连接光伏电池板和电网之间的关键设备，其并网控制策略直接影响到光伏发电系统的运行效率和稳定性。

当前，光伏逆变器并网控制方法主要包括传统的电压控制方法和频率控制方法。

然而，传统控制方法在一定程度上存在着响应速度慢、精度不高等问题。

为了提升并网控制的精度和稳定性，虚拟同步发电机控制方法成为了近年来研究的热点。

该方法基于虚拟同步发电机来实现光伏逆变器与电网的同步，并通过对电网电压和频率的控制，来提高光伏发电系统的电能质量和控制精度。

因此，本文将对基于虚拟同步发电机的光伏逆变器并网控制方法进行深入研究，旨在探索一种更加精准和稳定的光伏发电并网控制方法，并为实现光伏发电系统的可靠运行提供技术支持。

二、研究内容和方法本研究将基于虚拟同步发电机理论，利用Matlab/Simulink仿真平台进行模拟实验，并构建光伏发电系统的数学模型。

主要研究内容包括：1.分析虚拟同步发电机控制方法的原理和特点，设计基于该方法的光伏逆变器并网控制策略。

2.建立基于虚拟同步发电机的光伏逆变器数学模型，并分析其在并网过程中的动态特性。

3.利用Matlab/Simulink仿真平台，对虚拟同步发电机控制方法和传统控制方法在光伏发电系统中的效果进行比较和分析。

4.通过实验验证，探究基于虚拟同步发电机的光伏逆变器并网控制策略在实际应用中的可行性和稳定性。

三、预期研究成果1.设计出基于虚拟同步发电机的光伏逆变器并网控制方法，并分析其优势和局限性。

2.建立基于虚拟同步发电机的光伏逆变器数学模型，并分析其在并网过程中的动态特性。

3.通过对仿真实验结果的分析，评估虚拟同步发电机控制方法在光伏发电系统中的性能表现。

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抑制电流的突变；具有自同步功能，接入大电网时可以被大电网拉同步；转动惯量大，过载能力强。这些特性使其在并网发电上有独特的优势。电力系统对同步发电机的各种调控控制已经相当完善，因此本文提出了虚拟同步发电机 ( Virtual Synchronous Genera简称 VSG ) 的概念，使逆变电源通过相应的控制，对外表现出 tor，同步发电机的特性，这样可以把电力系统中各种完善的理论应用到微电网中，解决微电网中逆变器电压、功率调节的技术难题。图 2 为虚拟同步发电机模型框图。假设直流侧是电压恒定的储能设备，并且允许能量的双向流动。虚拟同步发电机的算法如式 ( 1 ) 所示，采用同步发电机的二阶模型 [ 4 － 5 ] ，可以有效地模拟发电机的转子机械特性和定子电气特性。 = Esin（ ωt + σ ） = U +I （ r + jx ） E a d (1) dΔ ωm = － = Pm － Pe Tm Te J d ωm ωm — 励磁电动势， — 定子端电压， — 定子电枢电阻，其中： E U ra xd
图1
微电网基本结构图
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《电气自动化》 2010 年第 32 卷第 4 期
电力系统及其自动化
Power System ＆ Automation
图3
电压控制图
定系统电压。其余的逆变电源进行功率协调控制来满足功率平衡的问题。 3． 1． 1 控制图2 虚拟同步发电机模同步发电机中的励磁调节系统可维持机端电压某点电压水平，并使机组间无功功率 Q 分配达到合理分配。本文采用同步发电机励磁调节系统的原理来设计虚拟同步电机的电压调节控制器。同步发图6 一次调频控制图图5 一次、二次调频外特性曲线电压频率图4 频率控制图
Research on Control Methods of Microgrid Based on the Virtual Synchronous Generators
( Hefei University of Technology， Hefei Anhui 230009， China ) Zhu Dan Su Jianhui Wu Beibei Abstract: This paper introduces the appearance background of the microgrid， the concept as well as the typical structure diagram is given． The technique of traditional distributed generation system can not meet the operating requirement of microgrid， based on the synchronous generator model，a new concept of virtual synchronous generator is presented． The mature theories in power system such as the first and the second frequency regulation will be used in microgrid． The control methods in the gridconnected mode and the islanding mode are given， all these make sure that the inverter with the characteristics of synchronous generator can safely build the microgrid． The correctness and validity of the control strategies are verified by the simulation result． Keywords: microgrid regulation virtual synchronous generator gridconnected mode islanding mode the first frequency regulation the second frequency
电力系统及其自动化
Power System ＆ Automation
《电气自动化》 2010 年第 32 卷第 4 期
基于虚拟同步发电机的微电网控制方法研究＊
合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心 ( 安徽合肥 230009 ) 摘朱丹苏建徽吴蓓蓓要：首先介绍了微电网的产生背景和意义，给出微电网的概念和典型结构示意图。针对传统分布式发电技术不能满足微电网运行要求，该文基于同步发电机的模型提出了虚拟同步发电机的概念，将大电网中的一次调频、二次调频等成熟的理论知识引入到了微电网中，给出了联网运行和孤岛运行模式下微电网的控制方法，使具有同步发电机特性的逆变电源能够稳定并网。最后通过 MATLAB / simulink 验证了虚拟同步发电机思想及控制方法的正确性和有效性。关键词：微电网虚拟同步发电机联网模式孤岛模式一次调频二次调频。 [ 中图分类号 ] TM727 [ 文献标志码 ] A [ 文章编号 ] 10003886 ( 2010 ) 04005904
网是有机整体，该系统通过静态开关 ( Static Switch ) 和大电网相连接，基本单元包括微电源、储能装置、管理系统以及负荷。图 1 为微电网的基本结构图，其中 inv 为逆变电源， DS 为储能装置。
2
虚拟同步发电机模型
同步发电机是电力系统主要发电设备，它的输出阻抗高，可以
— 同步电抗，ω — 电角速度，J— 转动惯量，ωm — 机械角速度，Pm — 机械功率， Pe— 电磁功率。各变量的物理意义和同步发电机中相应的变量相同，设置时可参照实际电机中的参数。
3
微电网中逆变电源的控制方法
微电网有两种工作模式：联网运行和孤岛运行，在这两种工作
方式下，微电网的控制方式是不完全相同的。孤岛运行时，微电网没有电压和频率参考，要求微电网可以独立地进行电压频率控制。联网运行时，要求微电网能够按照给定指令来发出或吸收一定的有功功率或者无功功率。如何对微电网中的逆变电源进行合理的控制，使微电网在任何模式下都能够满足负荷对电能质量的要求，这是微电网能否可靠运行的关键。本文对这两种工作模式下的控制方法分别进行了分析。
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电机感应电动势幅值计算公式为： E = Ga I f ωm 制框图如下图 3 所示：其中 Uref 为端电压给定，Igiv 为励磁电流给定， E＊ 0 为虚拟同步发电根据电压偏差 Δ U 来调节励磁电流，进而改变机算法的电压给定。感应电动势的大小，由于控制器采用的是 PI 调节器，所以可以实现端电压的无差控制 [ 7 ] 。图 4 所示为频率控制图，其中 Pgiv 为机械功率的前馈值，P＊ m 为虚拟同步发电机算法中的机械输入功率，通过改变同步机的输入机械功率来稳定系统频率。 3． 1． 2 功率协调控制电力系统频率波动的直接原因是发电机输入的机械功率和输出电磁功率之间的不平衡。在大电网中，通常要进行一次调频、二次调频、三次调频来调节负荷变化带来的系统频率变化。参阅文献 [ 8 ] 可知，一次调频是针对快速的、幅值较小的随机波动负荷，它利用发电机组的调速器的调节作用，阻止系统频率偏离标准值，一次调频是有差调节，它不一定能保证频率偏移在允许范围内，在这种情况下要由发电机组的同步器来进行二次调频，实现频率的无差控制。图 5 为一次调频、二次调频外特性曲线。本文将大型电力系统中的一次调频、二次调频技术应用到虚拟同步发电机中。微电网在孤岛运行时，所有的虚拟同步发电机都可以进行一次调频，参照同步电机的调速器和同步器的原理，我们给出了图 (2) 其中 Ga 为感应电动势系数， If 为励磁电流， ωm 为机械角速度。控
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引言
分布式发电技术是未来世界能源技术发展的重要方向，它具
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微电网的基本结构
微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它与大电
有污染少、可靠性高、能源利用率高、安装地点灵活等多方面的优点，可以有效的解决大型集中电网中许多潜在的问题。但是它很难被电力部门接受，因为数量众多的分布式电源接入现有配电网后，传统的无源配电网络将变为包含有小型电源和负荷的有源网络，能量由单方向从大电网到负荷的流动变为双向流动 [ 1 ] 。这样会带来电网的各种控制策略和保护方法的变化，同时分布式电源的并网运行可能会引起电网电压和频率的偏移、电压波动等电能质量问题，严重威胁电网的安全可靠运行。为了协调大电网和分布式发电之间的矛盾，充分发掘分布式电源的效益，在本世纪初美国电力可靠性技术研究方案协会 ( CERTS ) 提出了微电网 [ 2 ] 的概念。微电网可以联网运行，也可以在电网故障时孤岛运行，不间断地为重要负荷供电。这样微电网不但不会威胁大电网，还可以提高供电的可靠性和电能质量。微电网可靠运行的关键问题是微源逆变器的控制，文献 [ 3 ] 提出了基于下垂特性的逆变器控制方法，该方法存在稳定时电压和频率的偏移的问题。本文基于同步发电机理论提出了虚拟同步发电机的概念，可以无偏差地实现电压和频率的稳定。＊基金项目：教育部科学技术研究重大项目 ( 306004 ) ；国家自然基金项目 ( 50777015 )
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