虚拟发电机研究剖析

1、济南大学毕业论文摘 要分布式发电的快速发展使其在电网中的比重日益变大，增加了分布式电源安全、稳定并网的难度。消除分布式电源接入电网时对电力系统的不利影响，要求其在提供电能的同时也具有相应的电压频率和幅值支撑能力。虚拟同步发电机技术作为一种能够使分布式电源主动参与电网功率调节的控制方案，受到了广泛关注。虚拟同步发电 机的根本在于对同步发电机特性的模拟，即一次调频特性、一次调压特性与惯性。本 文先阐述对分布式发电与虚拟同步发电机的认识，并简要介绍同步发电机的工作原 理。接着分析了虚拟同步发电机的设计原理和现有虚拟同步发电机的技术方案。最后提出对拓扑结构和控制策略的设计， 用MATLAB/SIMUL

2、INK 搭建虚拟同步发电机的 仿真模型，并进行仿真和对仿真结果的分析。 虚拟同步发电机技术的应用，确实提高 了电力系统的稳定性，实现了频率和电压的无差控制。虚拟同步发电机技术很好的改 善了电网的稳定性，具有深远的发展前景。关键词：电力系统；虚拟同步发电机；一次调压；一次调频；虚拟惯性-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济南大学毕业论文摘要.ABSTRACTII1前言11.1选题的目的及意义11.2分布式发电现状 11.3虚拟同步发电机的发展22同步发电机原理简介32.1同步发电机的基本结构 32.2同步发电机的运行特性 32.2.1空载特性32.2.2电枢反应42

8、.2.3频率及电压控制原理42.2.4同步发电机的功率及转矩方程 43虚拟同步发电机原理 63.1 虚拟同步发电机的主电路 63.2有功调节73.3无功调节83.4电压空间矢量 PWM调制算法103.5典型虚拟同步发电机技术方案分析 123.5.1电流控制型虚拟同步发电机技术 123.5.2电压控制型虚拟同步发电机技术 144 虚拟同步发电机仿真 164.1仿真模型164.2滤波器的参数设计164.3控制策略设计174.3.1功频控制器仿真174.3.2励磁调节器仿真184.3.3三相调制波仿真184.4仿真结果与分析194.4.1孤岛模式仿真分析 194.4.2阻尼参数与转动惯量的研究 20

9、4.4.3滤波器参数的整定 22结论25参考文献26致谢28-IV -济南大学毕业论文丄、八1前言1.1选题的目的及意义选择“分布式发电中的虚拟同步发电机的研究” 课题作为本毕业设计的任务，学 习同步发电机频率及电压控制原理， 理解现有的虚拟同步发电机控制方案， 认知其在 分布式发电中的重要作用。如今，电能已经成为居民生活的必需品， 而且人们对电能 质量的要求也日益提高，如何更高效的提供高质量的电能是时代对当今电力技术提出 的要求。基于可再生能源（如风能、太阳能等）的分布式发电技术成为人类应对能源 危机和环境污染的重要手段之一，近年来越来越受到重视 。分布式发电迅速发展，其装机容量越来越大，如

10、何将其高效、稳定的并入电网成 为各方大力研究的课题。早期将分布式电源看作不可控发电模块的控制方法已经不适 用于现状，甚至会对电力系统的安全性、稳定性产生不利影响。因此，分布式电源不 能只是向电网提供电能，还应具备一定的电网电压幅值和频率支撑能力，以维持电网的稳定运行。因此，有学者提出了下垂控制方法 。这种方法虽然为电网提供了频 率和幅值上的支撑，但是同步发电机特有的惯性特性没有得到体现，即在电网中出现有功功率供需不平衡时，无法通过转动惯量来抑制电网频率的快速波动。基于这方面的考虑，在控制回路中加入了虚拟惯性环节，就此形成了较完备的虚拟同步发电机的 概念4,5。发展到今天，微电源并网策略仍然有很

11、多问题需要深入探究，因此对虚拟同步发电机的研究就显得尤为必要。从稳定性的要求出发，虚拟同步发电机仍需利用电力电 子控制的灵活性对技术的进一步创新； 稳定频率与动态均流之间的矛盾仍需调和。 由 于时代的发展要求与自身的限制问题的存在，在虚拟同步发电机上的投入必然增加， 该技术的发展进步极大地推动了并网的稳定性 。12分布式发电现状发展到2013年，光伏发电装机容量已然增至 139.637GW7。在全球范围内分布 式光伏发电的装机容量占据相当大的比重，像德、日、美等国家，都对其数量有指标 上要求，他们在利用可再生能源时都是在低压配电测接入发电机组。而对于中国来说，虽然光伏发电相对较晚，但仍然紧跟世

12、界的脚步，从2002年开始发展，期间陆续发布多项政策支持分布式发电。我国国家能源局指出，在国内新增15GW的光伏发电，特别提到要实现3.15GW以上的分布式光伏屋顶。由此可见，电力系统中的分布式能 源占比呈现增长趋势，相应的传统能源比例就会减小，可再生能源的分布式利用将是 电力研究的热点。1.3虚拟同步发电机的发展分布式发电技术面临着诸多挑战。 其接入电网通常具有不易调控性；当前配电网 仍然无法稳定地接受分布式电源；并网逆变器等关键部分的优化等。为解决与改善上 述问题提出的虚拟同步发电机的控制方法，其对提高分布式电源大规模接入电网的能 力具有重要的理论意义和应用价值9。虚拟同步发电机的设计理念

13、是对电力电子器件加以控制来模拟同步发电机的外 特性，使逆变器能够参与系统的调压及调频工作 10,进而满足电网的平稳性、安全性 要求。自虚拟同步发电机概念的问世以来， 学者在这方面进开展了许多研究， 不断的 改进控制算法，使其日趋成熟。起步时期，鲁汶大学提出了“ VSG”技术它只是模 拟了调频特性和转子惯性。这个方案还是有较大的不足，它其实并没有考虑对励磁加 以控制来调节无功电压。缺少了励磁调节，就使其无法准确表达出传统同步电机的运 行原理。同时代的克劳斯塔尔工业大学提出的“ VISMA ”方案就有了一定进步，它 弥补了上述分析中的缺点，在工作特性上与传统同步发电机更相似。从外特性上看， 这两类

14、控制方法都等效于受控的电流源，因此在微电网环境中无法良好地提供电压支 撑作用，也就无法进行离网的孤岛模式的运行。 针对这个问题，另有学者提出了电压 控制型的虚拟同步发电机技术。在这个方向的引导下，以后的控制方式克服了上述 的种种不足并有所改进，愈加接近于同步发电机的特征。这项课题的进步对减少环境 污染、促进能源利用具有很大的现实意义，它会更多的进入人们的视线，更多的产生 研究成果。-30 -2同步发电机原理简介2.1同步发电机的基本结构同步发电机是由静止的定子和转动的转子两个主要部分构成， 定子是由导磁的铁 芯、导电的三相绕组和固定铁心用的底座和端盖等部分构成， 在系统中的作用是产生 旋转磁场

15、和接收电能。同步电动机的旋转转子有两种结构形式， 一种是有明显磁极的，称为凸极式，如 图2.1左图所示；另一种转子呈圆柱形状，并无明显磁极，叫做隐极式，如图 2.1右 图所示。图2. 1旋转式磁极2.2同步发电机的运行特性2.2.1空载特性同步发电机的空载特性是指其在标定的转速下，同步电机只加入励磁而且不并入电网时的特征。这个时候同步发电机中的励磁磁势Ff会随着转子进行同步的旋转，就在电枢绕组中感应出励磁电势 Eo。当同步发电机空载运行时，其空载特征表现为励 磁电动势随着励磁电流的变化而变化的数量关系。数学表示如下：n=n N,l=O,E°=f(lf)( 2.1)图2. 2同步发电机

16、的空载特性曲线式（2. 1）中nN为同步发电机的额定转速，Eo为感应出的励磁电动势，If为励磁 电流。从图2. 2可以得出结论，在励磁电流较小的时候，此时的磁通也较小，电机的 磁路也就没有达到饱和状态，空载特性呈现直线（气隙线是将该直线延伸之后的射 线）。随着电路中励磁电流的慢慢变大，磁路慢慢达到饱和状态，磁化曲线由此进入 饱和阶段。2.2.2电枢反应当三相对称负载接入同步发电机的电枢绕组后，电枢绕组就会和负载一起构成一个闭合的回路，该通路中流过的电流即是三相对称的交流电流。这个三相对称电流会经过同步发电机的三相对称绕组，此时就形成一个与转子同速的旋转磁势。该磁势的 出现，使同步发电机负载之后

17、在其内部又产生了一个旋转磁势，称为电枢旋转磁势 Fa。综上分析，三相对称负载接入同步发电机之后，发电机中共有两个磁势：一是随 轴同转的转子磁势Ff，二是电枢的旋转磁势 Fa。由此总结出电枢反应的概念，即电 枢磁动势在气隙中作用于气隙磁通，使其大小与位置产生相应的变化。2.2.3频率及电压控制原理同步发电机的有功调频特性及无功调压特性直接对大电网的频率及电压的产生 作用。电力系统频率的变化调节过程具体表现为同步发电机输入机械功率及输出电磁 功率的变化及调节过程11。起初时刻当电力系统的有功功率发生改变时，导致输入的机械功率和输出的电磁功率之间失衡，因为同步发电机特有的机械惯性和阻尼作用， 频率发

18、生改变的过程就会相应变缓。随后产生一个系统频率的偏移量，原动机据此进 行调速，进而使其输入机械功率随之变化，达到改变转速、维稳频率的目的。这个过 程称为一次调频特性，这个调节方式的调控范围有限，是有差调节。电力系统电压的变化及调节过程具体表现为系统无功负荷变化及同步发电机励 磁调节过程12。系统的无功功率发生改变时，导致线路电压发生改变，系统的压降也 会发生改变。这时同步发电机中产生电压上的偏移量，并据此来调节励磁，从而抑制压降变化的幅度。2.2.4同步发电机的功率及转矩方程图2. 3中P1为原动机输入的机械功率；P。表示包括轴承及电刷的摩擦损耗产生 的机械损耗；PFe称为铁耗，是指发电机的主

19、磁通在铁磁材料中交变时所产生的部分 损耗，Pad是指由于电枢铁心结构、电枢反应引起气隙磁场畸变等原因造成的难以精 确计算的附加损耗，Pcua是指电流在经过导体时电阻上消耗掉功率产生的损耗。P2是指输出的电功率。输入 功辄电磁功 率P.机械lilftpa附加损耗P>4辅出功 率巳 nir- 定子IH扳Pirn图2. 3发电机功率构成由图2. 3可得出功率方程：(2. 2):R =P§+(Pc+PFe + Pad)f2 = - Pcua = mUI COS(2. 3)联立方程可得输出功率为：P2 = P1-PCua - PFe -召-Pad = R -£ P记空载损耗F0

20、 =PFeRi,代入式（2. 2）得P =p严在式（2. 4）的两边同时除以机械角速度门巨得60P1P . P0QQ Q即T1 =Te +T。(2. 4)(2. 5)(2. 6)其中T1为原动机输入转矩；Te为发电机的电磁转矩，呈现阻转性质；T0为空载 损耗对应的阻转矩。式（2. 6）说明，电机稳定运行时，驱动性质的原动机转矩与制 动性质的电磁转矩和空载转矩之和平衡。3虚拟同步发电机原理虚拟同步发电机是为了顺应电力系统的快速进展产生的需求而提出的。传统的控制方法没有物理意义上的惯性，无法在负载突变的情况下稳定电压与频率的变化范 围，而且其较弱的抗电流冲击的能力也不利于电网稳定。因此出现了虚拟同

21、步发电机的控制方案，以其较强的抗干扰能力、高输出惯量、大转动惯量的特点，使分布式电 源能够更好的并入大电网中。本章节针对虚拟同步发电机的学习与分析， 主要任务是研究现有虚拟同步发电机 的技术方案和控制机理，分析基于同步发电机特征方程的有功频率、 无功电压的调节 方案和电压空间矢量PWM控制方式，并介绍已经提出的两类典型的虚拟同步发电机 技术控制方案。3.1虚拟同步发电机的主电路虚拟同步发电机的主电路拓扑图及控制原理图如下图3. 1所示。主电路逆变桥采用的是三相电压型逆变器，电流Ii （i =a、b、c,下同）为输出电流，Ci、是三相逆变器 主电路LC滤波器的滤波电容，Li是其滤波电感，Ri是主

22、电路中的电阻，选用三相对 称负载作为电路的负载。虚拟同步发电机是通过模拟同步电机的运行特征来进行设计的。同步发电机在不带负载时它的电枢电流和输出功率的值都是零。 同步发电机接入了负荷之后，电枢中 就产生电流线路上产生输出电压，它的值就是感应电动势与线路阻抗上吸收的电压的 差值。在电枢反应的作用下该电压与电枢电流即产生输出功率，实现发电机功能。本文研究简化过的同步发电机的模型，即假设同步发电机的转子为隐极式转子， 且其极对数p为1。这样一来，在其并入大电网进行工作的时候，如果能够将电机的 励磁电流的变化，并将其反映到控制环节来调节输出电压与输出电流之间的相位差， 从而达到控制同步发电机的输出功率

23、的目的。综上同步发电机的原理，得到同步发电机的机械方程和电磁方程：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为同步发电机的电枢电压；E为感应电动势，I为电枢电流，Ra为 同步发电机的电枢电阻，Xs为电抗值；J为同步发电机的转动惯量，3为同步发电机 的电气角速度，30为大电网的同步角速度，Td、Tm、Te分别是同步发电机的阻尼转 矩、机械转矩和电磁转矩，Pm为同步发电机的机械功率，Pe为电磁功率，D是阻尼 系数；B为同步发电机的电角度。从主电路拓扑图中看出主要环节包括无功调节与有功调节。

24、 先由机械功率与电磁 功率作差，差值经由积分环节得到系统的角速度，再一次积分即得到系统的相位角 £ 励磁控制环节得到的电势的幅值与电路中阻抗消耗的电压作差所得即作为控制向量。3.2有功调节分布式电源并网时要确保输出频率的稳定， 只允许其在一定的范围内波动，不然 的话就会对电力系统的各个组成部分造成一定程度的损坏。但是分布式电源在离网运 行时，大电网不再对其提供频率上的支撑，也就是等于分布式电源所带的负荷突然增 大。这个过程会使分布式电源产生的有功功率与负载上所吸收的有功功率之间的差值 偏大，这样一来整个分布式电源就不能在额定频率下工作，随之带来的就是在短时间内逆变器输出的频率会产生较

25、大程度的降低。由此可以看出，频率是衡量电能供给质量的一个特别重要的指标，维持它的稳定是供电所必须具备的条件13。传统的同步发机对有功功率输出的调节是通过对机械转矩的调节实现的，同时通过调频器实现对电网频率偏差的响应。 类比该机理，对其机械特征和电气特征，设计 的虚拟同步发电机有功调节的控制框图如图 3. 2所示。f为分布式电源电压的额定频 率，然后该值与实际检测的频率值f比较得出偏差值，再经比例环节的控制实现系统 频率的无差调节。使用同步发电机一次调频的控制思想， 用频率的偏差值经由比例环 节之后，再与分布式电源的额定有功功率做和， 从而降低负载功率的波动对电网系统 的影响。图3. 2有功调节

26、控制框图虚拟同步发电机对并网逆变器有功指令的调节通过其虚拟机械转矩 Tm的调节来 实现。虚拟机械转矩Tm由两部分组成：一是机械转矩指令 TO,二是频率偏差反馈指 令汀。To的计算公式为：T0 = Pref / *，（ 3. 4）式中Pref为并网逆变器的有功指令。系统可以通过虚拟的自动频率调节器来进行频率响应的调节，这里假设该频率调节器为比例环节，则机械功率偏差指令.汀可以表示为：AT=kf（f f。）（ 3. 5）由以上分析可以看出虚拟同步发电机有功调节其调控方式的优势。在有功频率调控的思想中，比例积分占据了十分重要的地位。 该环节使得系统可以有效、快速地跟 踪负载功率的大小，使得系统的实际

27、输出功率与负载有功功率之间的差异迅速降低直 至消失，实现快速地抑制分布式发电频率波动的功能。3.3无功调节在电力系统中，电力传输的根本目的是功率的传输。 如若电网中的电压幅值在额 定值允许波动的范围之外，系统本身和用电单位都会受到很大的损害。电压偏离额定 值时会影响用电设备的正常工作，严重时乃至损坏用电设备。在实际工作运行过程中， 电机输出转矩的大小直接受电压高低的影响。 对于有励磁铁芯的变压器、发电机等设 备，如果励磁电压过高，产生一系列的作用与反应，致使电机的电磁特性的变化。而 电压幅值过低则会使得系统中某个微小的电压产生扰动，随之而来的产生电压崩溃， 致使电网出现大面积的停电问题甚至是电

28、力系统的瘫痪。由此可见，电网电压的稳定十分重要。当同步发电机的负载出现改变的时候，系统的电压幅值会随着它的改变而改变。 此时同步发电机的励磁系统就会自主地加大或降低其励磁电流以确保系统的电压水 平处于额定范围内。由上述分析可知，在同步发电机中，输出的无功功率与机端电压的调节是通过改 变励磁实现的。与之类比，虚拟同步发电机的无功功率与它的机端电压则可以通过调节虚拟电势E来实现。设计如图3. 3所示的控制框图。refE3图3. 3无功调节控制框图虚拟同步发电机的虚拟电动势 E主要由三部分组成。一部分是虚拟同步发电机的空载电势Eo,表示虚拟同步发电机在孤岛模式空载运行时的机端电压。一部分是对应于无功

29、功率调节的部分 厶Eq,计算公式为：Eq =kq(Qref -Q)( 3. 6)式中kq为无功调节系数；Qref为并网逆变器的无功功率给定；Q为并网逆变器输 出的瞬时无功功率的值，其计算公式为：Q =(Ua -Ub)ic (Ub -Uc)ia (Uc -Ua)ib/ .3(3. 7)虚拟电动势E的另一部分对应于机端电压调节单元的输出AEu,等效为同步发电机的自动电压调节器或者励磁调节器的输出，则匚Eu可以表示为：Eu = ku (U ref - U )( 3. 8)式中ku为电压调节系数；Uref是并网逆变器的机端电压有效值的设定值，U是其有效值的真实值。综上所述即得可到虚拟同步发电机的电势计

30、算公式，如下E 二 E。厶 Eq ，Eu( 3. 9)继而得到虚拟同步发电机的电势电压向量：H 一E sin(®)E = q = Es in (®-2 兀/3)( 3. 10)_ecLEsi n岸 +2贰/3)_式中二dt表示虚拟同步发电机的相位。由此可见，虚拟同步发电机对比于传统的简单的控制策略具有很大的优势。虚拟同步发电机不仅仅是确保无功功率的跟踪控制，而且还加入了分布式电源的电压上的调控环节，能够依据电压的改变量为分布式发电并入电网时供给必要的无功功率上的支撑143.4电压空间矢量PWM调制算法分布式电源是主电路中的能量转换的模块，逆变器的SPWM控制的目的在于保证输

31、出的电压尽量逼近正弦波。但是该控制方法忽略了输出的电流波形是否为正弦波 的问题。通常控制电机的方法是将开关单元与电机看作一个整体来考虑的，由此提出了“电压空间矢量 PWM(SVPWM，Space Vector PWM控制”。SVPWM调制方法的 大量使用15,16,17,不仅解决了 SPWM调制方法在输出谐波较高和直流电压利用率较低 的问题，而且更有利于控制的数字化。VT| 、A VT>1 1VT4 cvt6 丄Avt2图3. 4三相逆变器系统主电路原理图图3. 4所示的三相逆变器系统的主电路原理图，该三相桥采用了 180。导通型， 功率开关器件总共包括表3. 1列举的八种工作状态，其中

32、有2种工作状态下的逆变器 没有向外进行输出，故将其看作是无效状态。有效的开关状态有表 3. 1所示6种。表3. 1开关状态表序号开关状态开关代码1VT6、V、VT21002VT1、VT2、VT31103VT2、VT3、VT40104VT3、VT4、VT50115VT4、VT5、VT60016VT5、VT6、VT11017VT1、VT3、VT51118VT2、VT4、VT6000一个周期的时间内，上述的六种有效状态会各出现一次。 每隔二/3就切换一次状 态，完成换相，而在此次的 二/3角度内则保持该状态不变。假设一个工作周期是从“ 100”的状态开始的，此时逆变桥的 VT6、V、VT2是导通的，

33、其他的晶体管即是关断的。此时主电路中各个参数的计算公式为：U A0'=2（3. 11）UdU B0- U C0'2（ 3. 12）逆变器会跟着时间的推移而做出相应的工作状态的切换，使主电路中各个阶段的电压在电压幅值上是相同的，但其相位是不同的。相位每次会改变二/3，直到增加至 2二的弧度，这样完成一个周期后结束。六个矢量则会形成一个正六边形，如3.5所示。图3. 5 一个周期内六边形合成的电压空间矢量把并网逆变器工作的一个周期内的 6个电压空间矢量划分为6个区域，叫做扇区 （如图3. 5）,每个扇区所对应的相位都是二/3。任一扇区的分析都可以推广到所有 的扇区。图3. 6电压空

34、间矢量的空间形状与扇区分布在实际应用中，为了减少开关器件的损耗，希望换相时能够保证只有一个开关器 件的开关状态发生改变。如此一来，在每个相位为: /3的工作状态中，PWM电压波形就相等效于一个脉冲波，如图3. 7所示。3.3节中得出的虚拟同步发电机电势电压向量即三相调制波与该PWM电压波形的交截，即得到三相逆变器六只开关器件的驱动信号。3.5典型虚拟同步发电机技术方案分析本章介绍两类典型的虚拟同步发电机技术： 电流控制型虚拟同步发电机技术和电 压控制型虚拟同步发电机技术，从外特性上来看，它们分别等效于受控电流源与受控 电压源。下文是对两类虚拟同步发电机技术的设计原理的分析。3.5.1电流控制型

35、虚拟同步发电机技术图3. 8给出了一种VSG主电路的拓扑图，其主要思路是用理想的直流电压源代 替蓄能单元，该方案的控制思想是设置虚拟惯量环节和一次调频环节，并设置电流闭环反馈环节来仿真同步发电机的转子惯性特性和一次调频特征。图3. 8 VSG主电路拓扑图同步发电机的转子运动方程是:,dPm PeJTm Te( 3. 13)dt式中的Tm表示同步发电机的机械转矩，Tc表示同步发电机的电磁转矩；Pm为机 械功率，Pe为电磁功率；3表示实际的电网角速度，J表示同步发电机转子的转动惯 量。由式(3. 13)可以看出，在电网的频率产生增加的时候，同步发电机消耗有功功 率；反之，输出有功功率。转子惯性的模

36、拟是通过设定虚拟惯量的功率指令来实现的，数学方程如下：r, d«Rnertia = J( 3. 14 )dt由式(3. 14)可知，该功率设定值正比于电网频率和其变化率的乘积。 显而易见， 电网频率若从其标准值变化至另一个稳定状态的值之后， 其输出功率就会变成零，这 种状态明显对电网频率的稳定不利。一次调频特性的模拟则需要设定其一次调频的功率指令，数学方程如下：1Pdroopref )( 3 15)m从式(3. 15)可得出结论：当电网频率高于频率的标准值时，并网逆变器消耗有功功率；反之，将输出有功功率。综合本节上述分析，有功功率的指令为：P - Puprefin ertiadroo

37、p(3. 16)计算方程如下:P?did 皿 q =2(5iq -Uqid)(3. 17)此时Uq =0，则有:3.P = ；Udld 23.q=2Udq(3. 18)进而得到电流环的有功电流指令i ”d和无功电流指令i ”q，求算方程为:2Prefiq3Ud=0(3. 19)系统中的参数J、m须结合电网频率和频率的稳定指标来计算。式(3. 16)中,设计系统的输出功率有两部分，分别是一次调频功率和虚拟惯性功率。当电网频率变化，虚拟惯性功率作为重要作用环节， 为了更多的利用并网逆变器的容量， 所以确定J的选取范围为:(3. 20)P maxdo max( )dt式中的Pmax为逆变器的功率上限

38、当电网在偏离额定频率的情况下平稳运行时， 主要作用环节变为虚拟一次调频功(3. 21)率，由此下垂系数m的确定:m，- max = maXmax - 'ref，ref 一 minx现实应用中，频率变化的动态过程中的虚拟一次调频功率与虚拟惯量功率会叠加 在一起形成一个值。该值有可能超过虚拟电机系统的容量， 所以必须对输出功率设定 值设置限幅。该VSG方案通过模拟转子惯性特征与一次调频控制抑制了系统在频率上的产生 大范围的波动。但它的控制算法并不全面，缺少无功方面的调节，即没有模拟同步发 电机的励磁调节原理。继而提出了“ VISMA ”方案，该模拟了同步发电机定子的电 气特征，更加全面的模

39、拟了同步发电机的工作特征。该方案也存在弊端，其电流设定值是与滤波电感的取值相关的，它的控制精度会受电路中电感取值的影响。3.5.2电压控制型虚拟同步发电机技术电压控制型虚拟同步发电机克服了电流控制型方案在弱电网和孤岛运行中的不 足，加拿大多伦多大学M.Reza Iravani教授提出了模拟了同步发电机转子惯性的虚拟 惯性频率方案18，原理框图如图3. 9所示。图3. 9虚拟频率惯性控制原理框图该控制方案的逆变器输出频率控制是对同步发电机转子惯性与一次调频的模拟。在离网模式工作时，其电压幅值的给定是由无功功率-电压下垂的调控方式所得到的,模拟了同步发电机的励磁调节。以下是其方案中的转子机械方程、

40、 一次调频控制方程、一次电压控制方程及无功 积分控制方程：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是系统的惯性系数，Kd是系统的阻尼系数，3是机械角频率，CDpec是系 统公共耦合点的电压角频率；Dp是有功-频率下垂系数；Dq是无功-电压下垂系数； K-是积分控制系数。该方案的频率控制模拟了同步发电机的一次调频特性及惯性特性，优化了系统的频率稳定性，关键负荷的电压稳定性得到了很大的提

41、高。4虚拟同步发电机仿真4.1仿真模型本文采用MATLAB/SIMULINK 工具组建了虚拟同步发电机的电路模型，并进行仿真结果的数据分析。综合上文的分析，依据上文中的主电路拓扑图，搭建如图4. 1所示的电路模型。将分布式电源用直流电源代替19,20,21，主电路中的逆变桥利用 SimPowerSystems电气系统模块库的通用桥模块(Un iversal Bridge)仿真，用三相电 压电流测量模块测量电路中的瞬时三相电压和电流，滤波选用RLC滤波电路，负载选三相对称负载。图4. 1虚拟同步发电机仿真模型4.2滤波器的参数设计滤波器是分布式电源不可缺少的部分。我国大电网的额定频率为50Hz，

42、但是逆变电源的开关频率通常是在1kHz以上的，这种情况会致使逆变电源的输出电压中含 有大量的高次谐波，这种高次谐波的次数大多是开关频率或者开关频率的整数倍。为了使其输出电压为我们需要的正常使用的工频，就需要滤除那些影响电能质量的高频谐波，为此本文选用低通滤波器滤除那些高于截止频率的谐波22,23,24。LC滤波器的传递函数：(4. 1)G(j ) =1 = A( )ej ()5A()二1(4. 2)1-( )22 (2 )2 CO nOn(4. 3)式中：A为传递函数的幅值，©为传递函数的相位，Z为系统的阻尼系数，con是设定 的转折角频率。综合上述分析可以得到传递函数的对数幅频特性

43、的公式：1尬 2 2*尬 2L( ) =20lgA( ) =-20lg 1-( )22 (2)2(4. 4)滤波器的功能是对有用信号尽可能无衰减的保留、对系统噪声的遏制。转折角频率和系统的阻尼系数是影响其滤波性能的两个主要参数。在幅值公式中，转折角频率越低，高频谐波的幅值衰减越多。但转折角频率的设定值也不能过低：当所带负载比 较大时，公式中的阻尼系数就较大，此时滤波之后的输出电压的基波也发生明显的衰 减，这是不符合设置滤波器的目的的；当负载较小，即在系统的阻尼系数较小时，输 出电压基波的放大倍数则会过大，易造成系统的震荡无法满足对闭环控制的补偿。 经 过多次试验以及借鉴应用实际的经验，选取参数

44、R取值为lohms参数L的取值为2mH,参数C的取值为1.2mF。该参数下的低通滤波器极大的抑制了谐波， 也保证了 50Hz的正弦波在基本不失真的情况下输出。4.3控制策略设计4.3.1功频控制器仿真根据3.2节分析，搭建如图4. 2所示的功频控制器的仿真模型。图4. 2功频控制器仿真模型图中的f*设置值为50惯性输出特性是同步电机的一大优点，是设计虚拟同步电机算法能够良好实现输出特性不可或缺的环节。下图4. 3为系统惯性环节的仿真模型，Pm是上述功频控制器 输出的机械功频，Pe是系统输出的电磁功率，Constant模块所示常数50表示系统的 额定角频率，J表示为虚拟同步发电机设定的虚拟转动惯

45、量，取值为 0.22kg m2。图4. 3惯性环节模型4.3.2励磁调节器仿真根据3.3无功调节中的分析，搭建如图4. 4所示的虚拟同步发电机励磁调节环节 的仿真电路：u图4. 4励磁调节环节的仿真模型图中Qn是虚拟同步发电机的额定无功功率的设定值，Q表示虚拟同步发电机无功功率的实际输出值，U表示测量所得实际并网电压的幅值。二者经过比较得出一个 差值丄Q,该值再经过比例环节就得到电压幅值的差值U _ U与电网电压的额定值Un求和即产生并网点的电压指令值Uref。实际并网电压幅值与并网点电压设定值比较后再进行比例积分。4.3.3三相调制波仿真三相调制波模型如图4. 5所示：图中E为励磁电压，Su

46、bsystem模块为4.3.1节中的惯性环节。取经验值 311V。Pm为有功调价环节的机械功频。P为Fen、Fcn1、Fcn2框图内函数分别为“ Si n( U(1) ”、“sin(u(1)(2/3)审 pi) ”、“(S u(1) + (2/3)审 pi) ”。E图4. 5三相调制波仿真模型4.4仿真结果与分析4.4.1孤岛模式仿真分析模拟虚拟同步发电机在离网的孤岛模式下的运行状态，其各项参数设置如表4. 1所示。表4. 1参数表参数参数取值惯性时间常数H0.5阻尼系数D10有功-频率下垂系数Dp0.05无功-电压卜垂系数Dq0.05积分系数Kq0.4系统的变量设定过程如下：设置频率为 50

47、HZ、公共母线线电压有效值为380V ； 仿真时先使其带5KW的纯阻性负载运行，5.5s后将系统的输出有功功率增至4KW， 再0.5s后将输出无功功率增至IKvar。在这些参数下对电路模型进行仿真， 得到其在 孤岛模式独立带负荷下的有功功率、无功功率、系统频率、及电压的动态响应波形如 下图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图4. 6孤岛运行动态响应虚拟同步发电机处于孤岛运行，负载变化所引起的变化无功功

48、率与有功功率都可 以较快的做出响应。有功调节使得系统的稳态频率可在有功功率增加时降低， 无功调 节使得线电压可在无功功率增加时降低。系统的有功功率增加时，还会对电压产生影 响；无功功率增加时，系统的频率几乎不变，其主要影响系统的端电压。本次仿真中， 重点体现了控制的下垂特性，仍属于有差调节。系统的稳态频率基本维持在额定值， 说明在该参数设置下的虚拟同步发电机实现了系统的一次调频特性的模拟。4.4.2阻尼参数与转动惯量的研究在对虚拟同步电机的惯性模拟的设计中，为优化系统响应过程而引入了阻尼和惯 性这两个变量。正因如此并网逆变器才具备了同步性能， 使其在有功功率和无功功率 的输出上表现出了类似于同

49、步电机的震荡特性。 现对比这两个变量的改变对系统产生 的影响。一般的，对于传统的同步发电机而言，其自然振荡角频率在0.62815.7rad/s之间, 在阻尼系数不够大是会引起电网功率的低频振荡， 是电网安全稳定的一大隐患；然而, 对于虚拟同步发电机来说，惯性和阻尼参数是可以人为定制的。 下面是对不同参数下 的比较。下图4. 7为系统在不同惯性参数下的动态响应过程。图4. 7不同惯性参数下的动态响应由图可见，惯性参数决定了系统动态响应过程中的振荡频率。当惯性参数取 0.2kg m2时，震荡频率较高；该参数的减小会使震荡频率升高。下图4. 8为系统在不同阻尼系数下的动态响应过程。图4. 8不同阻尼

50、系数下的动态响应由图可见，阻尼参数决定了系统振荡衰减的速率。 15.25的值是按最优二次系统 整定得到的阻尼，此参数下的系统很快完成衰减；而伴随着此值的减小，振荡衰减的 时间会逐渐增加，即速率减缓。由以上比较，由于惯性和阻尼特性的引入，虚拟同步发电机的输出有功和无功功 率在动态过程中出现了与传统发电机一致的振荡特性。 系统动态响应的振荡频率由转 动惯量决定，震荡衰减速率由阻尼系数决定。 合理设置这两个参数，能使分布式电源 接入电力系统时的阻尼和惯性得到提高，从而缓解甚至消除分布式电源并网带来的频 率与电压波动上的负面作用。4.4.3滤波器参数的整定本设计中电阻R取值10hms,电感取值2mH,

51、电容取值1.2mF。设置直流电源的电压幅值为800V，此时虚拟同步发电机机端电压、 主电路电流波形图如图4. 9、图4. 10所示：图4. 10主电路电流此时电压水平和电流水平适宜，频率也在 50Hz左右，便于并网。鉴于电感是串联于逆变电源的主电路中，而电容是并联于主回路中的，现对比改变主电路电感的取值对系统的影响现更改电感的取值，将其设为 0.5mH后的电路电流输出波形如图4. 11所示:1-3001(1.02O.OG004D.0&0.070.0®0090.05血图4. 11 L=0.5mH时主电路电流由图可见，此时电流波形发生了较大变化。 主要原因是电感值取值过小，导致谐

52、 波在主回路中的电流过大，对输出电能质量的影响很大。电感取值过低显然不适合设计要求，该值的增加也会对电网有相应影响。 将其取值为5mH时，机端电压波形如图4.12所示:Q.Q10.020.030.040.050.060.07O0.09图4. 12 L=5mH时机端电压电压峰值较之前的水由图可见，电感增加后线路电压降显然有较大程度的升高, 平升高了 200V左右。因此认为，电感值取值过大引起电压降偏大，对输出电压幅值 有很大影响。可得出结论，合理设置滤波器的参数，可以使谐波得到极大的抑制，而且50Hz的正弦波也可以基本不失真的输出。结 论虚拟同步发电机有利于分布式电源的并网问题， 其控制策略使逆

53、变器能够以同步 发电机的特性输出功率，实现了稳定频率与电压的目的。功频控制的设计降低了负载 波动带来的影响，励磁控制的添加稳定了输出的电压水平。 其中各项参数的设置十分 关键，滤波器设计、下垂系数等都直接影响系统的频率和电压的输出。仿真结果不仅展示了虚拟同步发电机良好的输出性能，也体现出了模拟同步发电机的外特性的研究 思路的正确性。这个课题的研究使我对现代供电现状有了新的认识，可再生能源在发电方式中的 使用逐渐成为主流趋势。由同步发电机的工作特征出发，到虚拟同步发电机的设计中 体现出的科学思维也使我受益匪浅。 解决问题就要从根源出发，寻求思路。设计中的 仿真用MATLAB/SIMULINK 实

54、现，边学习边应用的过程中，对其用法的掌握也更加 熟练。分布式发电以其高效率、无污染、低投资等优点必将迅速发展，虚拟同步发电机 的研究显得尤为必要。这项技术的使用大大加强了微电网并网的稳定，具有很大的现 实意义。参考文献1 吴恒，阮新波，杨东升，陈欣然，钟庆昌，吕志鹏.虚拟同步发电机功率环的建模与参数设计J.中国电机工程学报，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