基于虚拟同步发电机的微电网延时补偿二次频率控制
新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、南方电网科学研究院的研究人员陈萌、肖湘宁等，在2018年第16期《电工技术学报》上撰文指出，虚拟同步发电机控制能够为电网提供虚拟惯量，提高系统的频率稳定，但在通信线路传输延时的影响下，传统二次频率控制动态特性显著恶化。
建立包含二次调频环节、通信延时环节的微电网完整小信号状态模型，基于该模型对虚拟同步发电机接入后的微电网频率稳定进行了研究，讨论虚拟惯量等重要控制参数对微电网频率控制延时边际的影响。针对通信延时对频率控制的负面作用，设计含虚拟同步发电机的微电网延时补偿二次频率控制策略，在原有控制回路中增加延时响应预测环节以补偿通信延时影响。
利用PSCAD/EMTDC仿真对比了是否包含延时补偿下系统的频率响应，结果表明所提延时补偿控制策略能够有效提高微电网频率控制对通信延时的鲁棒性并增强系统的频率稳定。
随着基于电力电子接口的分布式电源（Distributed Generation, DG）大量接入，电网的等效惯性逐渐降低，严重危害系统的稳定运行。特别地，孤岛运行下的微电网频率稳定面临严峻挑战[1-5]。为此，虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator, VSG）控制受到了广泛关注。VSG通过模拟同步发电机机械方程和一次调频，能够利用储能系统提供虚拟惯量，提高系统的等效惯性，进而增强系统频率稳定[6-9]。
通常，微电网频率控制采用分层控制结构，其中一次调频基于有功功率-频率下垂控制，在实现功率自动分配的同时将产生稳态误差，因此需要利用二次频率控制消除该频率稳态误差[10,11]。针对VSG的二次调频，文献[12]采用平移下垂曲线的方法进行二次控制设计，但是集中控制器必须感知全部DG的输出功率；文献[13]对三种不同的二次调频方法进行了研究，能够有效提高微电网的频率质量，但不能将频率恢复至参考值。
为解决此问题，文献[14,15]利用PI控制器进行二次调频设计，实现了频率的误差跟踪，但是并未考虑通信延时对响应特性的影响。
基于PI控制器的二次调频通过一定的通信网络，利用CAN总线、PROFIBUS总线等规约向各DG传输控制指令[16]。文献[17]表明，通信网络延时将恶化二次调频的响应特性，甚至引起系统不稳定，并利用H控制对PI控制的参数进行了设计，提高了系统对通信延时的鲁棒性，但不能从根本上解决延时带来的影响。
文献[18]研究了PI控制器参数对稳定延时边际的影响，提出了一种控制参数调节方法，但是该方法需要依靠GPS系统对时间校准，且需要提前离线获取参数表，可靠性及灵活性较差。文献[19]研究了考虑通信延时的微电网二次频率控制策略，但并未就通信延时对系统稳定性的影响进行分析说明。
同时，上述研究均忽略了DG动态，这是由于传统下垂控制具有较快的响应速度。但是当VSG接入微电网后，虚拟惯量大大降低了DG的响应速度。因此研究考虑通信延时的含VSG的二次频率控制策略对微电网频率稳定控制具有重要的实际意义。
本文针对通信延时问题研究了VSG接入下的微电网二次频率控制。建立了包含二次频率控制、延时环节的系统小信号模型，研究了虚拟惯量等控制参数对延时边际的影响，进而设计了一种延时补偿控制策略，提高了二次频率控制对通信延时的鲁棒性，有助于系统频率稳定。
图1 微电网拓扑及控制框图
图2 微电网有功-频率控制框图
当考虑通信线路的延时作用时，传统微电网二次调频控制响应特性将严重恶化，甚至影响系统稳定运行。本文建立了考虑二次调频和通信延时的微电网小信号模型，在此基础上讨论了虚拟惯量等参数对延时边际的影响，表明虚拟惯量和有功-频率下垂系数的增大将降低系统的延时边际。
提出了一种含VSG的微电网延时补偿二次频率控制策略，并通过仿真对比分析了有无延时补偿的系统响应特性，表明所提控制策略对通信延时具有较好的鲁棒性，能够有效提高微电网系统的频率稳定性。