西安理工大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院的研究人員任碧瑩、邱姣姣等，在2019年第1期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，針對虛擬同步發(fā)電機(VSG)雙機并聯(lián)系統(tǒng)在采用固定的轉(zhuǎn)動慣量及阻尼系數(shù)時無法兼顧有功功率振蕩和頻率波動的問題，該文提出一種參數(shù)自調(diào)節(jié)優(yōu)化控制策略。

首先，建立VSG雙機并聯(lián)系統(tǒng)的小信號模型，分析轉(zhuǎn)動慣量及阻尼系數(shù)對輸出有功特性的影響；其次，在滿足系統(tǒng)動穩(wěn)態(tài)性能的轉(zhuǎn)動慣量及阻尼系數(shù)限定取值范圍內(nèi)，根據(jù)轉(zhuǎn)子角速度變化率及其偏差量引入了改變轉(zhuǎn)動慣量及阻尼系數(shù)的參數(shù)自調(diào)節(jié)優(yōu)化控制；最后，通過仿真結(jié)果驗證了所提控制策略的有效性。該策略在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時，既可抑制VSG并入交流母線過程中的有功振蕩，亦可提高頻率的支撐能力。

輔助逆變器是動車組等車輛的重要組成部分，為了實現(xiàn)大功率、高可靠性、易擴展的冗余列車輔助電源供電系統(tǒng)，目前先進動車組輔助逆變器多采用無互聯(lián)線并聯(lián)技術(shù)。虛擬同步發(fā)電機(Virtual Synchronous Generator, VSG)技術(shù)源于微電網(wǎng)控制，其主要思想是將同步發(fā)電機運行特性引入到逆變器控制中，使得逆變器不僅具有穩(wěn)態(tài)的功率下垂特性，無聯(lián)絡(luò)信號線，且模擬了同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子慣性，可動態(tài)彌補功率差額，減少頻率波動程度。因此，本文將VSG技術(shù)應(yīng)用于輔助逆變器控制。

轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)作為VSG系統(tǒng)的核心參數(shù)，它們的引入從真正意義上模擬了同步發(fā)電機的機理，故而研究該核心參數(shù)對系統(tǒng)輸出特性的影響尤為重要。文獻[2,3]通過建立VSG的小信號模型分析了不同慣量和阻尼對VSG輸出有功動態(tài)性能的影響，輸出有功在動態(tài)過程中出現(xiàn)了與傳統(tǒng)同步發(fā)電機一致的振蕩特性，而VSG屬于電力電子設(shè)備，其承受暫態(tài)頻率和功率波動的能力遠不及同步發(fā)電機。暫態(tài)過程中的沖擊和振蕩若超過設(shè)備閾值，可能會導(dǎo)致設(shè)備運行異常，甚至造成系統(tǒng)失穩(wěn)。因此，學(xué)者們相繼提出了各種參數(shù)自適應(yīng)的方法來抑制功率振蕩。

文獻[5]提出了一種基于Bang-Bang控制的轉(zhuǎn)動慣量J可調(diào)的VSG控制策略，可實現(xiàn)J對頻率的動態(tài)實時跟蹤，但并未給出J上下限的具體取值原則。文獻[6]對VSG并網(wǎng)時的暫態(tài)能量函數(shù)進行分析，提出了一種動態(tài)調(diào)節(jié)J的方法，可加速暫態(tài)能量的減少，提高系統(tǒng)的暫態(tài)性能，但忽略了阻尼系數(shù)D對有功振蕩的影響。

文獻[7]根據(jù)同步發(fā)電機功角特性提出一種自適應(yīng)阻尼控制，可抑制暫態(tài)過程中的頻率振蕩，并保證其幅值穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)，且可減少輸出有功的過沖，降低有功振蕩，但同樣忽略了J對有功振蕩的影響。文獻[8]根據(jù)轉(zhuǎn)子角速度變化率及其偏差量提出了一種轉(zhuǎn)動慣量J及阻尼系數(shù)D自適應(yīng)控制策略，可減小并網(wǎng)及離網(wǎng)模式下有功和頻率超調(diào)，但未給出自適應(yīng)控制算法中兩個表達式的選取原則，也未給出表達式中相關(guān)系數(shù)的選取依據(jù)。

文獻[9]利用線性二次型最優(yōu)控制理論，提出了基于可變慣性和阻尼的VSG優(yōu)化控制策略，可實時對VSG關(guān)鍵參數(shù)進行靈活配置，保證VSG動態(tài)有功振蕩和頻率波動最小，以達到能量和誤差綜合最優(yōu)，但該方法對CPU的計算精度要求很高。

以上文獻均是基于單臺VSG并入大電網(wǎng)時的參數(shù)優(yōu)化處理，對于離網(wǎng)下VSG多機并聯(lián)系統(tǒng)，文獻[10,11]通過建立VSG多機并聯(lián)運行時小信號模型，分析了J、D對有功振蕩的影響，并通過加入預(yù)同步單元減小了有功振蕩；文獻[12]提出了基于虛擬磁鏈定向控制的預(yù)同步方法，可及時跟蹤公共耦合點(Point of Common Coupling, PCC)的電壓和頻率，避免了并入微網(wǎng)時在PCC點的電流沖擊，保證設(shè)備安全可靠運行；文獻[13]參照柴油發(fā)電機調(diào)速控制模型提出了一種改進的VSG控制策略，可減少逆變器與柴油發(fā)電機之間無縫切換的動態(tài)影響，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但對于VSG雙機并聯(lián)系統(tǒng),該控制策略過于復(fù)雜。

上述文獻與文獻[14,15]相同，J、D均為固定值，若與并網(wǎng)類似能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)J、D的值，該問題將得到解決。基于該思想，文獻[16]提出了改進轉(zhuǎn)動慣量自適應(yīng)控制，可根據(jù)頻率偏移量動態(tài)調(diào)節(jié)J，當(dāng)VSG投入微網(wǎng)時提供較小的J以避免動態(tài)有功振蕩，但D為固定值。文獻[17]利用粒子群優(yōu)化算法對VSG單元參數(shù)進行調(diào)整，保證系統(tǒng)在發(fā)生變化或擾動之后保持平穩(wěn)過渡，同時將電壓角偏差穩(wěn)定在限定區(qū)域內(nèi)，但需要VSG單元之間通信，較適用于優(yōu)化大型微電網(wǎng)。

針對上述控制方法的局限性，本文首先建立了VSG雙機并聯(lián)運行的小信號模型，分析J、D對VSG輸出有功特性的影響；其次在J、D限定的取值范圍內(nèi)，提出了一種參數(shù)自調(diào)節(jié)優(yōu)化控制策略，可根據(jù)轉(zhuǎn)子角速度變化率及其偏差量實時改變J、D，以實現(xiàn)抑制有功振蕩的同時，增大頻率的慣性、加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)；最后通過搭建PSIM仿真模型驗證了所提控制策略的正確性和可行性。

圖1 VSG雙機并聯(lián)系統(tǒng)控制框圖

結(jié)論

本文針對VSG雙機并聯(lián)系統(tǒng)，建立了小信號模型，并分析了轉(zhuǎn)動慣量及阻尼系數(shù)變化時對輸出有功特性的影響規(guī)律。同時，在轉(zhuǎn)動慣量J與阻尼系數(shù)D限定的取值范圍內(nèi)，提出了一種參數(shù)自調(diào)節(jié)優(yōu)化控制方法，可實現(xiàn)根據(jù)轉(zhuǎn)子角速度變化率dω/dt和角速度偏差Δω來實時改變J、D，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時，既可抑制VSG并入交流母線過程中的有功振蕩，亦可提高頻率的支撐能力、加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。

最后，利用PSIM仿真軟件對比了采用和未采用參數(shù)自調(diào)節(jié)優(yōu)化控制策略時，并聯(lián)運行和負(fù)載突變工況下系統(tǒng)輸出有功和頻率響應(yīng)特性，驗證了所設(shè)計的參數(shù)自調(diào)節(jié)優(yōu)化控制策略更有利于VSG并聯(lián)系統(tǒng)的運行。

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基于虛擬同步發(fā)電機雙機并聯(lián)系統(tǒng)的參數(shù)自調(diào)節(jié)優(yōu)化控制策略

總結(jié)

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