学术简报︱多约束下光储系统的灵活虚拟惯性控制方法

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摘要

华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室的研究人员孟建辉、彭嘉琳、王毅、宋美琪、郭禹，在2019年第14期《电工技术学报》上撰文指出，电网中分布式电源的大量接入降低了系统的旋转惯性，虚拟同步发电机（VSG）技术作为解决这一问题的有效途径，其虚拟惯量的灵活可调具有显著优势，但其灵活调节时必须满足多种约束条件的限制。

该文结合实际工况提出一种多约束限制下的灵活虚拟惯性（M-FVI）控制方法，该方法兼顾储能单元的极限工作状态、系统频率变化率、换流器容量以及系统单位时间功率可调量的影响。搭建含光储VSG单元的四端系统模型，并建立该系统的小信号模型，利用根轨迹法分析所提控制策略中关键参数对系统稳定性的影响规律，给出了控制参数的设计方法及原则。最后，通过硬件在环实验平台验证了所提多约束下虚拟惯性控制策略的有效性与实用性。

近年来，以光伏、风电为主的新能源发电在电网中的占比迅速增加，相较于传统以同步发电机为主的电力系统，此类分布式电源（Distributed Generator, DG）接入系统大多基于电力电子变换器接口，本身不存在有利于保持系统频率稳定的旋转惯性，其渗透率的不断增加会降低系统整体的转动惯量，当系统发生扰动时频率的波动会增大，严重影响到电力系统的动态响应及稳定性。因此如何通过控制算法改善DG接入电网的友好性是一个亟待解决的问题。

针对分布式电源接入大电网或者微电网，早期采用的控制策略包括基于旋转坐标系解耦的电流型控制策略和下垂控制策略，能够模拟同步发电机一次调频特性并实现分布式电源的功率分配，但以上控制策略不具备旋转惯性和阻尼分量，使得电力系统整体的惯性减小，稳定性受到影响。

因此虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator, VSG）控制技术作为解决这一问题的有效途径受到广泛关注，该控制理念最早由德国的克劳斯塔尔工业大学Beck教授提出，为VSG控制算法的研究奠定了思想基础。

文献[6]通过对VSG控制算法的下垂控制器进行修正并添加微分环节以减小并联运行逆变器空载运行电压和频率差值，并有效地补偿因计算带来的控制滞后。文献[7]提出的VSG控制算法可以在多能互补微网中提高电能质量。

此外，很多文献均在不同方面对VSG控制算法进行改进，验证了其相比于传统控制算法的优势。可见，目前的研究基本构建了成熟的VSG控制算法，为之后的研究奠定了理论基础，但以上的研究局限于对同步发电机恒定转动惯量的模拟，其虚拟惯量的灵活可控性并没有得到充分利用。

为克服上述缺点，VSG系统的灵活可控性开始受到越来越多的关注。

• 文献[8-9]分析了不同虚拟惯量变化下基于VSG控制算法的分布式电源对频率不同的动态支持情况，提出一种基于Bang- Bang控制的惯性系数调节方法。

• 文献[11]在有功-频率控制环节模拟了同步发电机的转子运动特性和一次调频特性，提出以系统频率变化率为约束条件的灵活虚拟同步机（Flexible Virtual Synchronous Generator, FVSG）控制策略。

• 文献[16]提出采用最佳阻尼比来抑制VSG系统功率和频率的振荡的自适应控制策略，系统响应时间和超调量等动态指标得到优化，动态性能得到提高。

• 文献[18]提出VSG频率自恢复控制策略，有效抑制频率越限，使频率较快恢复，且能在不依赖复杂通信系统的情况下有效提高独立微网的频率稳定性。

• 文献[19]提出了一种基于旋转同步坐标系的微电网分层控制策略，实现频率快速跟踪，改善波形质量。

以上研究大多将虚拟惯量同系统频率变化联系起来，利用VSG中虚拟惯量的灵活可调性来改善系统性能。但已有的研究忽略了许多约束虚拟惯性灵活调节的重要条件，如储能系统的荷电状态（State of Charge, SOC）、瞬间释放或吸收功率能力的大小以及换流器的容量限制等，如不对其进行系统研究，这些因素将会直接阻碍虚拟惯性系统未来的实用化。

综上，为了增强光储灵活惯性控制方法的实用性和工程应用价值，本文提出一种基于蓄电池充放电极限、频率变化率、换流器容量以及系统单位时间功率可调量影响的多约束下灵活虚拟惯性（Multi-constrained Flexible Virtual Inertia, M-FVI）控制策略。

搭建含光储VSG单元的四端系统模型，建立小信号模型，利用根轨迹法分析所提控制策略中关键参数对系统稳定性的影响规律，应用层次分析法以及三维曲面分析给出了各个控制参数的设计方法及原则，并通过硬件在环实验平台对所提控制策略进行了验证，以提高VSG控制技术的工程应用价值。

图11（a）控制器级硬件在环测试平台设计框图

图11（b）测试平台实物图

总结

• 1）针对光储单元提出的M-FVI控制策略，在兼顾虚拟惯性灵活调节的基础上，充分考虑了蓄电池荷电状态、系统频率变化率、换流器容量以及系统单位时间功率可调量等多约束的影响，具有较高工程实用性。

• 2）通过建立四端小信号模型及根轨迹分析得到了关键参数对系统稳定性的影响规律，在此基础上采用层次分析法以及三维曲面图分析给出了主要控制参数的设计方法及原则，并探究得到系统稳定运行的边界约束条件，增加了参数设计的准确性。

• 3）无论是系统极限运行状态下还是正常工况下，本文所提策略能够根据各约束的影响程度主动调节虚拟惯量的大小，从而改善系统的稳定运行性能，提高蓄电池、换流器等设备的使用寿命，对于VSG控制算法的工程化应用具有一定的参考意义。

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