摘 要

进入21世纪以来，由于全球范围内能源的匮乏，基于逆变器接口的分布式能源逐渐被世界各国所重视，其在电力系统中所占的比例也逐年递增。但与传统的同步发电机相比，基于逆变器接口的分布式发电系统由于其响应速度过快并且几乎没有转动惯量，若大量运用会对电力系统的抗扰动能力和稳定性产生严重的影响。虚拟同步发电机技术因其能够使分布式发电系统的对外接口具有与同步发电机相同的阻尼特性和旋转惯性，从而受到了国际范围内众多学者的广泛关注。但在实际运行当中，由于电网电压中往往含有低次谐波，这些电网电压谐波会导致VSG并网电流内含有相同频次的谐波，进而导致并网电能质量的下降。

本文首先就虚拟同步发电机的基本原理进行介绍，画出其系统框图和电压电流双闭环控制模型，采用电网电压前馈补偿控制进行初步并网电流谐波抑制，经仿真后，由并网电流的谐波分析可以看出，采用电网电压前馈补偿后的并网电流的总谐波畸变率有所下降，其中5次谐波含量大大降低，但7次谐波含量无明显变化。

其次，鉴于VSG系统中的电压、电流调节器均采用的是准PR控制器，本文将自抗扰控制引入VSG系统，将电压调节器的准PR控制器用自抗扰控制器替代，再次对并网电流进行谐波分析，结果显示，与采用准PR控制器相比，采用自抗扰控制器的并网电流的总谐波畸变率更低，其中5次谐波含量和7次谐波含量都大大减少，电流谐波抑制效果更加明显。

最后，为了比较采用两种不同控制策略的VSG系统的抗扰动能力，本文往系统中加入脉冲扰动和白噪声扰动作为干扰源，再次比较处于两种不同控制策略下的VSG并网电流，结果显示采用自抗扰控制策略的VSG系统具有更强的抗扰动能力。同时，将关键参数变化5%、10%，结果也显示采用自抗扰控制策略的VSG系统具有更好的鲁棒性。

关键词：虚拟同步发电机；并网电流；电流谐波抑制；准PR控制器；自抗扰控制器；抗干扰；电能质量

Abstract

In recent years, due to the aggravation of global energy crisis, distributed energy based on inverter interface has attracted extensive attention from governments all over the world, and its proportion in the power system is also increasing year by year. However, compared with the traditional synchronous generator, the distributed generation system based on the inverter interface has too fast response speed and almost no moment of inertia, so a large number of connections will have a serious impact on the anti-disturbance ability and stability of the power system. Virtual synchronous generator (VSG) has been widely concerned by many scholars in the world because it can make the external interface of the distributed generation system have the same damping characteristics and rotational inertia as the synchronous generator. However, in practical operation, because the grid voltage often contains low-order harmonics, these voltage harmonics will lead to the same frequency harmonics in the VSG grid-connected current, resulting in the decrease of grid-connected power quality.

This thesis first introduces the basic principle of the virtual synchronous generator, draw the control block diagram and the system voltage and current double loop control model, USES the grid voltage feed-forward compensation control in preliminary grid current harmonic suppression, after the simulation, the grid current harmonic analysis can be seen that the grid voltage feed-forward compensation grid current total harmonic distortion rate declined, five times harmonic content is reduced greatly, but seven times harmonic content has no obvious change.

And then, given the VSG system of voltage and current regulator are used to make PR controller, this thesis introduces the immunity control VSG system, control the voltage regulator of PR for replacement (ADRC), once again, the grid current harmonic analysis, the results show that, compared with the quasi PR controller adopts ADRC grid current total harmonic distortion rate is lower, five times harmonic content and seven times harmonic content is greatly reduced, current harmonic suppression effect is more obvious.

Finally, in order to compare the two different control strategies of VSG system's ability to resist disturbance, this thesis, supplying the system with pulse disturbance and white noise disturbance as the interference sources, is again under two different control strategies of VSG grid current, the results show that using the control strategy of immunity system has more ability to resist disturbance VSG. At the same time, the key parameters were changed by 5% and 10%, and the results showed that the VSG system with ADRC strategy had better robustness.

Keywords: virtual synchronous generator，grid-connected current，current harmonic suppression，Quasi-PR controller，ADRC，disturbance rejection, power quality

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 研究现状 1

1.3 本文研究内容 2

1.4 预期效果 2

第2章 VSG原理及模型搭建 4

2.1 VSG等效模型 4

2.2 仿真分析 7

2.3 本章小结 21

第3章 自抗扰控制策略下的VSG 22

3.1 自抗扰控制技术 22

3.1.1 自抗扰控制器的主要构成 22

3.1.2 线性ADRC 23

3.2 算法描述 24

3.3 采用线性ADRC控制的VSG仿真分析 26

3.4 本章小结 35

第4章 系统性能分析 36

4.1 抗扰动分析 36

4.2 鲁棒性分析 41

4.3 本章小结 44

第5章 总结与展望 45

参考文献 46

致谢 49

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

进入21世纪以后，由于受全球范围内能源匮乏的影响，电力系统逐渐开始采用分布式能源，因其可以实现与逆变器之间的良好对接，其在电力系统所占的比例也是持续增长^[1,2]。但是，与电力系统通常所采用的传统同步发电机相比，分布式发电系统还存在一些并网缺陷，例如其响应过于迅速，并且几乎没有转动惯量，因此难以很好的参与电网调节^[3,4]，如果大量的将其并入电网，则会对整个电力系统的稳定性能和抗扰动能力产生不良影响^[5,6]。虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator，VSG）技术因其能够使分布式发电系统的对外接口特性具有与传统同步发电机相同的阻尼特性和旋转惯性，逐渐被各国电力系统行业的学者所重视 ^[7-9]。但在实际并网过程中，电网电压总是不可避免的会含有部分谐波，受VSG自身并网电流组成成分影响，这些电网电压谐波会导致VSG的并网电流中含有相同频次的谐波，从而影响整个系统的电能质量。因此需要提出一种合适的VSG并网电流谐波抑制方法，优化并网电能质量。

1.2 研究现状

虚拟同步发电机的概念由文献[10]首次提出，文章通过采用同步发电机的思想，将受控电流源与逆变器相互等效，初步提出虚拟同步发电机的概念。文献[11-14]对同步发电机的有功-频率环节进行研究，对其转子运动过程中的基本特征和一次调频时的基本特征进行了仿真还原，实现了分布式发电系统的逆变器与同步发电机在外部基本特征和系统内部工作原理的等效。文献[15]在此基础上对VSG进行了更加深入地研究，内容包含有功、无功功率的跟踪控制研究以及并网、离网模式切换策略的研究。文献[16,17]则主要对VSG控制策略在低电压情况下的穿越能力进行了研究。文献[18,19]则首次在风力发电领域运用VSG，大大拓展了VSG的运用范围。

以上所述的大部分文献，都是在电网电压中并不含有谐波的情况下进行的研究，但在实际运行中，电网电压中不可避免的会含有部分谐波，进而影响并网电能质量，针对此情况，文献[20-22]提出了一种基于多谐振补偿器的控制策略，通过在并网电压的谐振频率处增加一个开环增益，从而实现对电流谐波的抑制。文献[23]则是将一个超前校正环节加入到准PR控制器后，在实现电流谐波抑制的同时还提高了系统的稳定性。

由于VSG的并网电流是由两部分组成的，其中就包含了电网电压经由电网导纳所产生的电流，因此在寻找谐波抑制策略时，即要尽可能减少电网电压谐波对VSG并网电流产生影响，也要保留电网电压的基波成分，而上述的电流谐波抑制方法都对电网电压进行了大量的衰减甚至完全消除电网电压的影响，因此适用于传统逆变器的电流谐波抑制的方法无法同样适用于虚拟同步发电机。文献[24]提出一种基于陷波器的电网电压前馈补偿策略，保留了电网电压基波的同时也大大抑制了电网电压谐波对并网电流的影响。

自抗扰控制技术的提出与发展始于20世纪90年代，中科院韩京清教授通过对PID控制器的改进，在引入扩张状态观测器（ESO）的基础上，结合了非线性PID控制器，提出了一种自抗扰控制器方案——Auto disturbance rejection Control System(ADRC)。自抗扰控制器凭借其良好的控制性能，较高的稳定性和控制精度，并且有着很强的鲁棒性，引起了国际范围内控制领域学者的广泛重视。自抗扰控制器的优点有很多，如设计不依赖于受控对象的数学模型，结构清晰，且算法容易实现，并且对受控对象模型的不确定因素和外部扰动具有相当优良的适应性以及较强的鲁棒性。

文献[25-32]展现了自抗扰控制技术在电力系统中的应用,并且均表明自抗扰控制技术运用到电力系统当中后,会大大提升整个系统的抗扰动能力。文献[33-37]则描述了线性自抗扰控制技术在电力系统的应用,并展现了线性自抗扰控制技术相较于非线性自抗扰控制技术的简易性和方便性

1.3 本文研究内容

本文针对电网电压谐波影响VSG并网电能质量的问题，开展了基于一种基于陷波器的电网电压自抗扰控制策略研究，主要研究内容如下：

1. 给出虚拟同步发电机的原理综述和控制框图，基于其电压电流双环等效模型得出其导纳模型，进而对VSG并网电流进行分析并采用电网电压前馈补偿策略，通过仿真观察补偿后的并网电能质量是否有所改善。
2. 对VSG控制系统进行改良，将其中的准PR控制器用自抗扰控制器取代，通过仿真观察改良后的并网电流总谐波畸变率和各次谐波含量，并将其与采用准PR控制器的并网电流相比较。
3. 加入脉冲、白噪声扰动，比较采用准PR控制器的VSG并网电流和自抗扰控制器的VSG并网电流，观察两者的抗扰动能力。再将关键参数变化5%、10%，观察两者的鲁棒性。

1.4 预期效果

本文最终的预期效果为：将采用自抗扰控制策略的VSG系统与采用准PR控制策略的VSG系统进行比较，其应该有以下结果：

1. 无论处于何种工况下，采用自抗扰控制策略的VSG的并网电流THD都更优秀，其中5次谐波含量和7次谐波含量都处于较低的值。
2. 系统加入不同干扰源后，采用自抗扰控制策略的VSG系统有着更为优秀的抗扰动能力。
3. 参数变化5%、10%后，采用自抗扰控制策略的VSG系统有着更为良好的鲁棒性。

第2章 VSG原理及模型搭建

2.1 VSG等效模型

VSG的算法由有功-功率方程和无功-电压方程组成，表示为

方程中和为VSG的机械功率和电磁功率；和为VSG的角频率和电网角频率；、分别是VSG的转动惯量和阻尼系数；、分别为VSG的无功测量值和无功给定值；、分别为VSG的电压计算值和额定电压值；则为无功-电压下垂系数。VSG整个系统的控制框图如图2.1所示。

图2.1 VSG系统控制框图

由系统控制框图2.1可以看出，VSG参考电压的相位和频率由有功-功率方程计算得出，参考电压的幅值由无功-电压方程计算得出，将计算得出的两者相结合，得出完整的参考电压；图2.1中的电压电流双闭环控制采用的是电容电压外环控制，逆变器侧电流内环控制。

将图2.1进行进一步简化，将其电压电流双环控制部分展开，可得VSG系统的电压电流双闭环控制等效模型，如图2.2所示。

图2.2 VSG电压电流双闭环控制等效模型

图2.2所示的等效模型中，VSG电压的稳定由电容电压外环控制来实现，逆变器侧电感电流内环控制主要是为了对电流进行快速跟踪以及提高系统的动态响应速度。图2.2中为VSG参考电压，和分别为电压和电流调节器，均采用准PR控制；，是逆变器侧电感；，是滤波电容的等效阻抗。

由图2.2可得VSG的输出电压传递函数为

式(2.4)中，,是电网电压。

化简后可得VSG的并网电流表达式为

式(2.5)中

由式(2.5)可知，VSG的并网电流并不是单单只由参考电压经由逆变器导纳得到，电网电压经过电网导纳后，也会并入VSG的并网电流当中。由此可见，电网电压中的谐波会对VSG的并网电能质量产生影响，因此如果能够尽可能地减少电网导纳在谐波频率处的数值，那么VSG并网电流的谐波就会得到很好的抑制。但由于VSG的并网电流需要电网电压的参与 ，因此电网电压的基波成分也需要保留。鉴于此，我们首先采用一种基于陷波器的电网电压前馈控制方案来解决这一问题。前馈补偿控制策略如图2.3所示，其中电网电压前馈函数由表示。

图2.3 加入电网电压前馈补偿后的VSG等效模型

加入电网电压前馈后的VSG并网电流表达式变更为

式(2.8)中

由并网电流表达式可知，加入前馈补偿控制策略后，并网电流中由参考电压经逆变器导纳得到的部分保持不变，而由电网电压得到的部分由于电网导纳变为 。如果能够找到合适的前馈函数，使电网导纳既能保持原有的基频含量，又能够尽可能地减少谐波频率出的电网导纳，那么VSG的并网电能质量就会得到很大的改善。

经大量的比较与试验后，发现陷波器的自身特性可以完美的解决这一问题。

可令

其中

式(2.11)中，代表的是陷波器带宽，本文取陷波器带宽。由于电网电压多含低次谐波，因此本文对电网电压的5、7次谐波分量进行着重研究，的取值则取5和7。将式（2.10）和式（2.11）相结合，可得前馈函数的表达式：

由于电网导纳的基频含量要保留，因此可以对电网电压不同频次的谐波分量进行分别提取，再依次将其与电网电压前馈函数中相应频率的增益相乘，就能得到前馈量。

式(2.13)中，为电网电压的次谐波分量；为前馈函数在处的幅频特性；为前馈函数在处的相频特性。

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