第 38 卷 第 10 期
2018 年 10 月
电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment
Vol.38 No.10
Oct. 2018
基于自适应 Terminal 滑模控制方法的 VSG 控制
严彬彬,王宝华
(南京理工大学 自动化学院,江苏 南京 210094)
摘要:由于分布式电源并网逆变器存在的低惯性、欠阻尼特性会影响电力系统稳定性,利用考虑发电机励磁
与汽门综合控制的同步发电机四阶模型,设计了基于自适应 Terminal 滑模控制方法的虚拟同步发电机控制
方案。 针对系统的 2 个输入变量,构造了 2 个非奇异的 Terminal 滑模函数,由于 Terminal 滑模函数为非线性
函数,使得误差可以快速收敛,从而保证了控制器良好的控制效果。 仿真结果验证了所提控制策略可以为系
统提供必要的惯性和阻尼,保证系统在参数不确定和存在外界扰动情况下的鲁棒性,能够抑制振荡并提高电
力系统的稳定性。
关键词:虚拟同步发电机;并网逆变器;Terminal 滑模控制;稳定性;鲁棒性
中图分类号:TM 761 文献标识码:A DOI:10.16081 / j.issn.1006
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6047.2018.10.022
收稿日期:2017
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18;修回日期:2018
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0 引言
全球能源的日益匮乏,环境问题的日渐突出,是
近年来社会的热点问题,为此,清洁能源的利用也越
来越受到人们的关注
[1]
。 分布式发电技术和微电网
技术作为有效的载体,对其进行深入研究有其不可
忽视的有益作用
[2]
。 常见的分布式电源产生的电能
需要通过并网逆变器并网输出,但是不同于传统的
同步发电机,逆变器本身响应速度快、几乎没有转动
惯量,这导致其难以参与电网的调节,更无法为稳定
性较差的微网提供必要的阻尼作用。
鉴于此,欧洲 VSYNC 项目率先提出了虚拟同步
发电机(VSG)的概念
[3]
。 借助同步发电机的机械方
程和电磁方程来控制逆变器,使得逆变器在机理上
和外特性上均能与同步发电机相媲美,该类控制策
略称为 VSG 技术
[4⁃6]
,其有望在未来的分布式发电
技术中发挥重要作用。 随后,钟庆昌教授提出同步
逆变器的概念
[6]
,使逆变器工作在类似同步发电机
的特性下。 文献[7]研究了电流源型 VSG 的控制策
略,但此种控制策略没有模拟同步发电机的转子运
动特性。 相比之下,电压源型 VSG 控制策略更适用
于 VSG 技术的研究。 文献[8] 研究了 VSG 的有功、
无功调节方案,详细分析了虚拟惯性和阻尼的整定
方法,实现了 VSG 的离 / 并网无缝切换。 文献[9]提
出了一种改进型虚拟惯量控制,以提高功率的动态
响应,减小功率振荡。 文献[10]针对传统 VSG 频率
调节的有差性以及二次调频控制参数难选且调节精
度不理想的问题,提出了一种使频率可以快速自适
应调节的 VSG 控制方法。 文献[11] 对不平衡与非
线性混合负载下的 VSG 控制进行了研究,着重于消
除电压不平衡和抑制谐波。 文献[12] 着重研究了
弱电网条件下 VSG 电网互联系统的交互稳定性。
上述文献对于 VSG 控制的研究主要还是以线
性控制方法和理论为基础,模拟同步发电机的经典
二阶模型。 但经典二阶模型不能很好地模拟同步发
电机的动态响应过程,且传统单变量比例 积分 微
分(PID)控制在应对系统发生参数摄动和外部扰动
时的鲁棒性较差,最终导致系统控制效果不佳。 文
献[13]通过引入能量函数作为系统输出变量,实现
对脉宽调制(PWM)整流器模型的完全反馈线性化,
以此提高 VSG 控制系统在电压跌落时的动态响应
速度。 值得注意的是,反馈线性化方法要求系统模
型精确已知,但事实上电力系统存在大量未知参数
和不确定扰动,这些不确定因素必然会影响控制效
果,因此有必要提高系统的鲁棒性。 文献[14] 研究
了基于 Hamilton 系统方法的 VSG 控制方案,取得了
不错的控制效果,但是控制器仅仅考虑了摄动的系
统参数,没有考虑外扰动的影响。 滑模变结构控制
因其较快的响应速度,以及对外界干扰和参数摄动
的鲁棒性强,非常适合应用于模型复杂、变化剧烈、
存在大量不确定扰动的电力系统中
[15]
。 文献[16]
将线性二次型最优控制与积分滑模控制相结合,设
计了一种多目标最优滑模鲁棒励磁控制器。 文献
[17]将滑模变结构 控 制应用于 汽轮机的 调 速器。
文献[18]设计了一种新型定频 PWM 自适应滑模控
制策略,用于改善直流微电网的稳定性。 普通滑模
控制一般选择线性的滑模面,迫使系统状态按照预
定的滑动轨迹运动并渐近地收敛至 0。 但无论如
何,状态跟踪误差不会在有限时间内收敛至 0,而
Terminal 滑模控制可以改进系统控制的收敛速度。
因此,本文在以上研究的基础上,采用 Terminal 滑模
控制理论设计 VSG 控制器。 根据含汽门开度和励
磁系统的四阶同步发电机模型来模拟同步发电机的
动态特性,通过构造 2 个非奇异的 Terminal 滑模面,
实现控制系统 2 个输入变量的解耦控制。 在 MAT⁃
LAB/ Simulink 中通过仿真验证了本文所提控制方法
的有效性。