VSG与下垂控制对比研究

引言

传统的PQ控制方式常用一个锁相环来将逆变器输出电压和电网进行同步，并通过控制输出电流来输出电网预先要求逆变器发出的有功功率和无功功率。PQ控制方式问题主要是不具备类似同步机的电压保持和频率支撑能力。因此不能在孤岛模式下运行；由于不像传统同步发电机那样具备转动惯量，因此采用PQ控制方式的逆变器在电网使用范围受限。VSG控制方式能够使得逆变器具有电压保持、频率支撑以及功率分配的能力。

VSG控制与下垂控制原理

1.下垂控制

传统的下垂控制仅有P- \omega 控制，新的下垂控制P-V控制（线路阻抗可以忽略且电感等效为电阻）。P-V下垂控制具有更加理想的功率分配能力和更高的稳定性，一种基于虚拟f-V框架的控制方法，能够适用于任何线路阻抗比的逆变器控制。f-v下垂控制是底层的基本控制, 第二层控制往往负责频率和电压保持额定值；第三层负载分布式电源和电网进行同步以及他们在并网模式下的潮流控制和优化运行。

2.VSG控制

VSG控制策略利用直流链路中存储的能量作为进行一次调频旋转的备用容量，以此来实现虚拟惯量的功能。

3. 控制分析

下垂控制与VSG控制的无功功率控制相同，都是Q-V下垂控制方式。两种控制方法中的无功功率控制都是相同的：

VSG的暂态电动势由如下所示2部分组成：

E=E_{0}+E_{Q}=E_{0}+n（Q_{ref}-Q） -------(1)

(1）中 E0为空载电动势； E_{Q} 为无功功率调节器的输出值，即励磁控制器的输出值； Q_{ref}为给定VSG的无功功率 ； n 为无功下垂系数； Q为VSG输出的平均无功功率；

注：通常VSG输出无功功率通过一个限波器滤除2次或3次谐波，方便控制。

VSG控制的摇摆方程：

P_{in}-P_{out}=J\omega_{m} \frac{d_{\omega_{m}}}{dt}+D(\omega_{m} -\omega_{g} ) -------(2)

VSG的虚拟极对数设定为1。其中： Pin为调速器中输出的虚拟轴功率（目标功率），Pout为实际测量的输出功率，J是虚拟惯量，D是虚拟阻尼因子， \omega_{m} 是虚拟转子角频率， \omega_{g} 是PCC点电压传感器安装处的角频率。

图1中调速器可以用公式表示为：

P_{in}=P_{o}-k_{p}(\omega_{m} -\omega_{0} ) -----------（3）

这里 P_{o} 是有功功率的设定值， \omega_{0} 是标准角频率值， k_{p} 是下垂系数。

通过式（1）和 （2）消除 P_{in} ,则可以得到

P_{o}-k_{p}(\omega_{m} -\omega_{0} )-P_{out}=J\omega_{m} \frac{d_{\omega_{m}}}{dt}+D(\omega_{m} -\omega_{g} ) -------（4）

式（4）中，有相关文献， \omega_{g} 是一个用来提供同步频率的以计算阻尼功率的测量值（PCC点实时测量电网频率），如果在（4）中，用一个常量代替，如标准频率 \omega_{0} ，因此，阻尼因子D便与下垂系数Kp相等，这样在一个简单模型中就可以省略调速器模块。由于没有阻尼效应，将可能导致在仿真中产生更大的输出功率震荡。

在下垂控制系统中，有功控制模块中的关系式为：

\omega_{m}=-\frac{P_{out}-P_{o}}{K_{p}}+\omega_{o} ------------（5）

当J=0,D=0时，式（4）就等于 式（5），换言之，在惯量和阻尼因子都被设置为0时，下垂控制可以被看作为VSG控制的一种特殊形式。

频率的暂态响应

对单机系统的分布式电源建立VSG控制和下垂控制两种模型，计算在一个负荷变换过程中的频率阶跃响应。理论上，频率变化缓慢的系统是较理想的系统，因为df/dt 较小意味着系统具有较大的惯量。在惯量较小的系统中，当负荷变化交大时，就很容易使df/dt超过继电器阈值，从而引起不必要的跳闸和甩荷动作。

资料表明在具有较大惯量的系统中发生瞬时故障时，二次调频会在负荷变化期间动作，因此系统只需承受一个较小的最大频率偏移值。

根据潮流计算得到等效频率与负载变化关系：

图4 是单机系统在VSG控制方式下发生小负荷波动时频率变化的传递函数。如果让Jdg=0、Ddg=0, 则得到基于DG的下垂控制传递函数：

若图4中的S=0，则图5就等于图4， 说明图4中的稳态增益由下垂控制系数Kp_dg决定，并且与摇摆方程的参数没有关系。在稳态情况下，如果下垂控制系数被设定为相同值，那么VSG控制和下垂控制就是等效的。

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