0 引言

    分布式发电系统主要以采用两种模式或者两种模式间的相互切换运行；在分布式发电系统能量充足的情况下向电网传送能量的并网运行模式及其在电网断电、能量紧缺的情况下向重要负荷供电的孤岛运行模式^[1]。如果两运行模式之间的切换方式不当，会造成切换失败，影响供电质量及损害分布式发电设备。文献[2]采用的并网运行电流控制模式及其离网运行电压控制模式，类似于文献[3，4]使用的PQ及其V/f控制在不同运行模式下切换时需要改变相应的控制策略，加深了控制电路的复杂程度；文献[1]在不增加系统复杂程度的前提下，提出基于加权控制的方法解决切换过程中的电压电流过冲问题，却存在加权值不易折中，参数敏感性太大的问题；文献[5]采用下垂控制的方法有效地解决了控制策略的变换问题，可以同时适用于并/离网运行模式，但需准确地对下垂曲线进行移动和定位，离网运行状态下存在较为严重的电压降和频率跌落的问题。

    文献[6-8]提出的虚拟同步发电机的控制方法，在下垂控制的基础上增加了虚拟惯性及其等效阻尼环节，有效地模拟了同步发电机的运行特性，能够自主稳定地在两种运行模式之间进行相互切换；本文基于虚拟同步发电机(VSG)的控制方法，为使系统更加稳定地适应于两种运行模式及其相互之间的切换问题，改善了控制电路结构以及三相LCL滤波器的性能，增强了系统的稳定性，可方便地实现微网逆变器的多模式运行。

1 改进的VSG控制策略

    本文采用的系统加入了ω^*前馈量，改善其启动特性；引入了一个频率、相位闭环控制的环节使其与电网同步。

    改进后系统如图1所示，其整体控制性能由参数J^*、K_ω、D^*共同决定，所提出的调频方法使系统输出频率对功率波动和电网频率波动以及电网相位波动均呈现一定的自调节特性，可以减缓外部扰动对输出频率的影响，保证了系统的稳定性；相位自调节部分保证了系统与电网的同步，以减小并网逆变器系统对电网的冲击。

    如图2所示为虚拟同步发电机的内部控制框图。

    其中，v为逆变器输出端电压；I_nabc为电感侧输出电流与同步发电机定子端电流i对应；输出滤波器阻抗与同步发电机励磁绕组的阻抗对应。

2 LCL滤波器的分析与改进

    传统LCL滤波器在谐振频率处具有较大的谐振尖峰，为有效地衰减系统的谐振尖峰，同时不增加系统控制的复杂程度，在系统中增加被动无源阻尼的方法，常见的处理方式为在LCL滤波器电容侧并联或者串联阻尼电阻^[10]。

    系统的开环传递函数为：

    当在滤波电容侧串联阻尼电阻R_r2时，LCL滤波器电容支路的KVL方程为：

    为了减小系统的阻尼损耗，取R_d1=1 000 Ω，R_d2=1 Ω。得到如图3所示的幅频特性。

    通过图3可以看出，LCL滤波系统电容侧增加阻尼电阻可以有效地减小系统的谐振尖峰，增加系统的稳定性。从图中可知，电容侧串联阻尼电阻具有更好的谐振尖峰抑制作用，但是系统的高频抑制效果有所降低；电容侧并联阻尼电阻在减小系统的谐振尖峰的同时可以保持高频抑制效果不变。

    并联阻尼电阻的伯德图如图4所示，当并联阻尼电阻越小时，系统的谐振尖峰抑制效果越好，但是太小的并联阻尼电阻会引起较大的功率损耗；同时从图中可以看出，当并联阻尼电阻大于500 Ω之后，系统的谐振尖峰抑制效果差异并不是特别明显。

    根据图5所示，当串联阻尼电阻越大时，系统的谐振尖峰抑制效果更好，高频抑制能力也有略微的降低，但是太大的串联阻尼电阻也会引起较大的功率损耗；从图5中可以看出，当并联阻尼电阻大于5 Ω之后，系统的谐振尖峰抑制效果差异并不明显。

    综合上述串、并联阻尼电阻带来的谐振尖峰抑制效果分析可知，两种方法都具有较好的尖峰抑制效果，但是阻尼电阻大小的选取却要受到尖峰抑制效果和功率损耗两方面的考量，具体情况应具体分析，本文使用的是小功率系统，故这里采用的是并联阻尼电阻的尖峰抑制方法。

3 仿真验证

3.1 离网运行性能验证

    为了验证本文所采用控制方法及其滤波策略的有效性，在MATLAB/Simulink中进行了仿真实验测试，具体参数设置如下：

    VSG的f₀为50 Hz，ω^*=100 π，设定P_ref为3 kW，Q_ref为1 kW，参考电压幅值U_ref为311 V，惯性分量J^*为100，阻尼分量D^*为4 000，下垂系数K_ω为3 000，τ_ν取0.02 s，即D_q为160.70，K为1 009.70。电路采用LCL滤波并添设并联无源阻尼电阻的方法以衰减谐振尖峰，滤波电感L₁为7 mH，与电感串联的电阻R₁为0.5 Ω，滤波电容C为30 μF，与之并联的电阻R_r1为1 000 Ω，进网侧电感L₂为1 mH，与电感串联R₂的电阻为0.5 Ω，系统呈星型连接。改进VSG与传统VSG负载变化时频率动态性能对比如图6所示。

    通过图6可知，改进VSG在启动瞬间具有频率波动范围小、变化平滑的特点，有效地加强了系统的启动特性，同时在负荷波动等情况下，具有输出频率波动小、变化平滑的优点，可有效地保证并网逆变器系统在离网运行模式下的高可靠性和稳定性。

3.2 模式切换运行性能验证

    为验证本文所采用方法的可行性，针对VSG在并、离网两种运行模式下的状态分析做了如下仿真验证：

    采用本文所提出的改进VSG控制方法，刚开始并网逆变器带重要负载独立运行，负荷为3 kW有功负荷；0.5 s时刻从独立运行状态切入电网进行并网运行，同时不间断对重要负荷的供电；1.5 s时刻脱离电网，进行独立模式运行。VSG进行模式切换时的运行情况如图7所示。

    图7中，i_a表示并网逆变器a相输出电流，i_ga表示a相进网电流，i_oa表示并网逆变器负载上通过的a相电流。

    通过图7可以看出，并网逆变器可以稳定运行在两种运行模式下，且当进行任意模式的切换时不需要进行复杂的控制策略变换，同时改进的LCL滤波器可以有效地帮助减小并网时刻输入电流的冲击问题。

    图8、图9分别为并网运行及并网运行下的频谱分析。通过图8、图9 可以看出，并网逆变器两种运行模式下都具有较小的总谐波畸变率，完全符合并网逆变器的并网要求，能有效降低并网时刻对电网的冲击问题，具有正弦度较高，谐波干扰小的优点。

4 结论

    本文采用虚拟同步发电机的控制方法，设计了虚拟励磁及其功频调节环节，增加了相位自调节功能以保证并网逆变器输出电压与电网保持同步。本文为增强VSG在并/离网运行状态的稳定性以及方便、无冲击地实现两种运行模式间的相互转换，主要进行了如下的工作：

    (1)采用前馈参考角速度和增加自调频控制环节有效地减小了微网逆变器负载在动态变化情况下的输出频率波动范围，增强了系统的启动特性及其稳定性；

    (2)为有效抑制系统的谐振尖峰，减小外部环境对系统的影响，通过对LCL滤波器参数的分析与设计，添设了无源阻尼环节以增强系统的稳定性，减小并网逆变器并入电网时刻的冲击问题。

    通过MATLAB/Simulink的仿真分析，验证了本文所采用方法的可行性，优化了VSG在并/离网运行情况下的整体控制性能，增强了系统的稳定性以及抗干扰能力。

参考文献

[1] 王晓寰，张纯江.分布式发电并网无缝切换控制算法设计与实现[J].电网技术，2012，36(7)：191-194.

[2] 林旭成，杨苹，吕茵.基于DSP控制的双模式逆变系统的研究[J].电力电子技术，2011，45(2)：56-59.

[3] 晋鹏娟，赵兴勇，原胜军.基于储能的风力发电并网逆变器控制策略研究[J].电力学报，2013，28(5)：400-403.

[4] 丁明，杨向真，苏建徽.基于虚拟同步发电机思想的微电网逆变电源控制策略[J].电力系统自动化，2009，33(8)：89-93.

[5] 刘鸿鹏，朱航，吴辉，等.新型光伏并网逆变器电压型控制方法[J].中国电机工程学报，2015，35(21)：1-9.

[6] 吕志鹏，盛万兴，钟庆昌，等.虚拟同步发电机及其在微电网中的应用[J].中国电机工程学报，2014，34(16)：2591-2603.

[7] ZHONG Q C，WEISS G.Static synchronous generators for distributed generation and renewable energy[C].Power Systems Conference and Exposition，2009.PSCE'09.IEEE/PES.IEEE，2009：1-6.

[8] ZHONG Q C，WEISS G.Synchronverters：Inverters that mimic synchronous generators[J].Industrial Electronics，IEEE Transactions on，2011，58(4)：1259-1267.

[9] 白志红，阮新波，徐林.基于LCL滤波器的并网逆变器的控制策略[J].电工技术学报，2011(S1)：118-124.

[10] 张宪平，李亚西，许洪华.新型拓扑滤波器的双馈风电网侧变流器阻尼策略[J].中国电机工程学报，2009(21)：1-7.

作者信息:

郭筱瑛1，王嘉磊2，黎凡森2，陈显东2，曹太强2

(1.攀枝花学院 电气信息工程学院，四川 攀枝花617000；2.西华大学 电气与电子信息学院，四川 成都610039)