电力系统保护与控制 第 49 卷 第 14 期 2021 年 7 月 16 日 Power System Protection and Control Vol.49 No.14 Jul. 16, 2021 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.201116 交直流混合微电网母线接口参数自适应 VSG 控制策略 张 良，范广胜，黄南天，吕 玲，蔡国伟，王雪松 (现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室(东北电力大学)，吉林 吉林 132012) 摘要：针对交直流混合微电网的母线接口变换器采用传统 VSG 控制策略时存在母线频率的超调量与暂态过程时间 矛盾，以及传输功率的暂态过程长期处于超调状态问题，提出一种交直流混合微电网母线接口参数自适应 VSG 控 制策略。该控制策略可以使接口变换器的传输功率、母线频率的超调量减小；可以优化系统的动态调节能力，进 而缩短暂态过程。 建立了符合母线接口变换器 VSG 的数学模型，在 VSG 数学模型的基础上引出了参数自适应 VSG 控制策略。通过仿真，对比参数自适应 VSG 控制策略与传统 VSG 控制策略的控制效果，验证了所提出的控制策 略的有效性和可行性。 关键词：VSG；超调量；传输功率；混合微电网；参数自适应 Adaptive VSG control strategy for interlinking converter in an AC/DC hybrid microgrid ZHANG Liang, FAN Guangsheng, HUANG Nantian, LÜ Ling, CAI Guowei, WANG Xuesong (Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control & Renewable Energy Technology, Ministry of Education (Northeast Electric Power University), Jilin 132012, China) Abstract: When the traditional Virtual Synchronous Generator (VSG) control strategy is adopted for a bus interlinking converter of an AC/DC hybrid microgrid, there is a contradiction between the overshoot of bus frequency and the transient process time. In addition the transmission power transient process is in overshoot state for a long time. Thus an adaptive VSG control strategy for AC/DC hybrid microgrid bus interlinking parameters is proposed. This control strategy can reduce the overshoot of the transmission power of the interlinking converter and the bus frequency. It can optimize the dynamic adjustment capability of the system, thereby shortening the transient process. A mathematical model conforming to the VSG of the bus interlinking converter is established, and a parameter adaptive VSG control strategy is derived on the basis of the VSG mathematical model. Through simulation, the control effect of traditional VSG control strategy and parameter adaptive VSG control strategy is compared, and the practicability and availability of the proposed control strategy is verified. This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51607031) and Jilin Science and Technology Innovation Development Project (No. 20190104138). Key words: VSG; overshoot; transmission power; hybrid microgrid; parameter adaptive 0 引言 近年来，随着对微电网需求的增加，混合微电 网进入了人们的视线[1-6]。从组成可以看出，其兼具 交流、直流微电网的特点，即：可以孤岛、并网运 行，减少电力变换环节，进而降低能量损耗。 在交直流混合微电网中，选择合适的接口变换 基金项目：国家自然科学基金项目资助(51607031)；吉林市 科技创新发展计划项目资助(20190104138) 器控制策略对系统的稳定运行至关重要。文献[7-8] 中提出双向下垂的控制方法，此方法是将交流频率 以及直流电压通过公式进行统一化，对比统一化的 值来判断功率的流向。但是下垂控制策略的动态响 应时间很短，在接入电网时，系统缓冲时间不足， 而且随着微电网中分布式电源的增加，会降低混合 微电网系统的虚拟惯量，系统的稳定性会受到影响。 针对系统虚拟惯量低导致系统不稳定的问题，提出 虚拟同步电机控制策略[9-10]，根据同步电机固有的 转子运动方程，使微电网系统的惯性有所提升，提 电力系统保护与控制 - 46 - 高微电网传输功率和交流频率的响应能力，增强混 合微电网抗干扰能力，但是和同步发电机一样，该 控制策略的阻尼系数和虚拟惯量是固定的，因此缺 乏一定的动态调节能力。系统所需要的参数值会随 着运行工况的不同而不同，如果能使阻尼系数与虚 拟惯量随运行工况进行动态调节，那么系统的动态 调节能力问题将会得到解决。基于上述思想，文献 [11-14]提出了参数自适应虚拟同步机控制策略，该 控制策略在虚拟同步机模型的基础上引入虚拟惯量 和阻尼系数自适应环节，在优化系统的动态响应特 性的同时，解决了动态调节能力缺失的问题。但是 该方法仅适用于交流微电网中功率正向流动的情 况。对于功率可以正向流动、反向流动、双向流动 的交直流混合微电网的动态调节能力与动态响应特 性的优化问题，仍未提出有效的控制策略。 针对如何解决交直流混合微电网母线接口交流 频率、传输功率的动态响应特性和系统的动态调节 能力等问题，本文提出了交直流混合微电网母线接 口参数自适应 VSG 控制策略。该策略通过交直流侧 投切负荷，构建虚拟惯量和阻尼与频率偏移量间的 自适应关系，使得系统可根据其暂态过程中不同阶 段的系统特性来自由配置虚拟惯量和阻尼系数。该 控制策略可使系统在相同负荷扰动下受到的冲击减 小，从而降低了系统在振荡过程中的超调量和动态 响应时间，有效提高了系统的动态调节能力。最后 通过 Matlab/Simulink 仿真，验证所提控制方法的有 效性以及可行性。 1 虚拟同步发电机的基本原理 1.1 交直流混合微电网的拓扑结构 图 1 为传统的混合微电网的结构图[15]，由三部 分构成：交流微电网、直流微电网以及接口变换器。 根据微电网的实际需求，可运行于并网模式和离网 模式。 1.2 VSG 控制策略 根据图 2 所示的混合微电网交直流母线接口变 换器结构，设 E、U 和 I 分别为电压 eabc、uabc 和电 流 iabc 的合成相量。以 U 为参考相量，则接口变换 器交流侧电压方程和功率传输方程分别近似为[16] (1) E  U  jX L I UE   Pt = X sin   L  2 Q = UE cos   U  t X L XL 式中，  为电压相量E与U的相角差。 (2) 图 2 接口变换器结构 Fig. 2 Structure of the interlinking converter 由式(2)可知，控制相角差可以实现功率的双向 流动，并且本文规定接口变换器有功功率传输正方 向为直流侧流向交流侧。 在交流微电网或者直流微电网侧负载过重的情 况下，为了更好地均衡分配有功功率，交、直流微 电网，均采用下垂控制策略[17-20]。虽然传统的下垂 控制策略能够实现交直流混合微电网有功功率的均 衡分配，使电压和频率保持在一定范围内，但随着 负荷的突增或突减，不能给系统一个缓冲时间，基 于此，根据文献[9,11]提出交直流混合微电网母线接 口变换器 VSG 控制策略，控制框图如图 3 所示。该 控制框图主要包含三部分：有功-电压控制、有功频率控制、无功-电压控制。 图 1 交直流混合微电网典型拓扑结构 图 3 混合微电网接口变换器的 VSG 控制 Fig. 1 Typical topology of AC/DC hybrid microgrid Fig. 3 VSG control of hybrid microgrid interlinking converter 张 良，等 交直流混合微电网母线接口参数自适应 VSG 控制策略 有功-频率控制满足式(3)。  d Pm  Pe  D(  0 )  J dt   0 (3)   d    dt 式中： 为 VSG 的虚拟角频率；0 为额定角频率； J 为虚拟惯量；D 为阻尼系数；Pm、Pe 分别为机械 功率和电磁功率。 有功-电压控制满足式(4)。 du (4) P2  ku (udc  U dcN )  CdcU dcN dc dt 式中：udc、UdcN分别为直流母线实际电压与额定电 压；Cdc为直流侧电容；ku为直流下垂系数； P2 为 直流微电网中的有功功率变化。 无功-电压控制满足式(5)。 E  Eref  kq (Qref