征稿｜第四屆軌道交通電氣與信息技術國際學術會議

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征稿｜中國電工技術學會電機與系統學報(英文季刊)

摘要

西安理工大學自動化與信息工程學院的研究人員任碧瑩、邱姣姣等，在2019年第1期《電工技術學報》上撰文，針對虛擬同步發電機(VSG)雙機并聯系統在采用固定的轉動慣量及阻尼系數時無法兼顧有功功率振蕩和頻率波動的問題，該文提出一種參數自調節優化控制策略。

首先，建立VSG雙機并聯系統的小信號模型，分析轉動慣量及阻尼系數對輸出有功特性的影響；其次，在滿足系統動穩態性能的轉動慣量及阻尼系數限定取值范圍內，根據轉子角速度變化率及其偏差量引入了改變轉動慣量及阻尼系數的參數自調節優化控制；最后，通過仿真結果驗證了所提控制策略的有效性。該策略在保證系統穩定運行的同時，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，為了實現大功率、高可靠性、易擴展的冗余列車輔助電源供電系統，目前先進動車組輔助逆變器多采用無互聯線并聯技術。虛擬同步發電機(Virtual Synchronous Generator, VSG)技術源于微電網控制，其主要思想是將同步發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態的功率下垂特性，無聯絡信號線，且模擬了同步發電機的轉子慣性，可動態彌補功率差額，減少頻率波動程度。因此，本文將VSG技術應用于輔助逆變器控制。

轉動慣量和阻尼系數作為VSG系統的核心參數，它們的引入從真正意義上模擬了同步發電機的機理，故而研究該核心參數對系統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輸出有功動態性能的影響，輸出有功在動態過程中出現了與傳統同步發電機一致的振蕩特性，而VSG屬于電力電子設備，其承受暫態頻率和功率波動的能力遠不及同步發電機。暫態過程中的沖擊和振蕩若超過設備閾值，可能會導致設備運行異常，甚至造成系統失穩。因此，學者們相繼提出了各種參數自適應的方法來抑制功率振蕩。

文獻[5]提出了一種基于Bang-Bang控制的轉動慣量J可調的VSG控制策略，可實現J對頻率的動態實時跟蹤，但并未給出J上下限的具體取值原則。文獻[6]對VSG并網時的暫態能量函數進行分析，提出了一種動態調節J的方法，可加速暫態能量的減少，提高系統的暫態性能，但忽略了阻尼系數D對有功振蕩的影響。

文獻[7]根據同步發電機功角特性提出一種自適應阻尼控制，可抑制暫態過程中的頻率振蕩，并保證其幅值穩定在安全范圍內，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]根據轉子角速度變化率及其偏差量提出了一種轉動慣量J及阻尼系數D自適應控制策略，可減小并網及離網模式下有功和頻率超調，但未給出自適應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系數的選取依據。

文獻[9]利用線性二次型最優控制理論，提出了基于可變慣性和阻尼的VSG優化控制策略，可實時對VSG關鍵參數進行靈活配置，保證VSG動態有功振蕩和頻率波動最小，以達到能量和誤差綜合最優，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并入大電網時的參數優化處理，對于離網下VSG多機并聯系統，文獻[10,11]通過建立VSG多機并聯運行時小信號模型，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，避免了并入微網時在PCC點的電流沖擊，保證設備安全可靠運行；文獻[13]參照柴油發電機調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電機之間無縫切換的動態影響，提高整個系統的穩定性，但對于VSG雙機并聯系統,該控制策略過于復雜。

上述文獻與文獻[14,15]相同，J、D均為固定值，若與并網類似能夠實時調節J、D的值，該問題將得到解決。基于該思想，文獻[16]提出了改進轉動慣量自適應控制，可根據頻率偏移量動態調節J，當VSG投入微網時提供較小的J以避免動態有功振蕩，但D為固定值。文獻[17]利用粒子群優化算法對VSG單元參數進行調整，保證系統在發生變化或擾動之后保持平穩過渡，同時將電壓角偏差穩定在限定區域內，但需要VSG單元之間通信，較適用于優化大型微電網。

針對上述控制方法的局限性，本文首先建立了VSG雙機并聯運行的小信號模型，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，提出了一種參數自調節優化控制策略，可根據轉子角速度變化率及其偏差量實時改變J、D，以實現抑制有功振蕩的同時，增大頻率的慣性、加快系統的動態響應；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雙機并聯系統控制框圖

結論

本文針對VSG雙機并聯系統，建立了小信號模型，并分析了轉動慣量及阻尼系數變化時對輸出有功特性的影響規律。同時，在轉動慣量J與阻尼系數D限定的取值范圍內，提出了一種參數自調節優化控制方法，可實現根據轉子角速度變化率dω/dt和角速度偏差Δω來實時改變J、D，保證系統穩定運行的同時，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、加快系統的動態響應。

最后，利用PSIM仿真軟件對比了采用和未采用參數自調節優化控制策略時，并聯運行和負載突變工況下系統輸出有功和頻率響應特性，驗證了所設計的參數自調節優化控制策略更有利于VSG并聯系統的運行。

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總結

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