一種基于數字孿生的虛擬同步機與靜止同步補償器優化協調控制策略研究

李 震，李慶生，張 裕，張兆豐，楊婕睿，姚林朋

（1.貴州電網有限責任公司電網規劃研究中心，貴州貴陽 550000；2.上海交通大學，上海 201100）

0 引言

隨著能源短缺和全球變暖日益嚴峻，低碳發展已成為各國重要的發展戰略。新能源發電如太陽能和風能發電代替傳統的火力發電已成為趨勢。但這些逆變型新能源發電單元大多不能像同步發電機那樣為電網提供慣性和阻尼支撐，導致在系統擾動期間電力系統的旋轉儲備能力和旋轉慣性相對降低[1]，尤其在高比例新能源電力系統中容易導致功率震蕩等嚴重后果[2-3]。虛擬同步機（（Virtual Synchronous Generator，VSG））是應對這些挑戰的一個很好的解決方案，它依賴于逆變器的高度可控性。但是，實際配電網運行中VSG 經常會出現不對稱故障情況，電能質量會明顯下降，最嚴重的情況可能會導致新能源發電裝置切斷，對電網的穩定運行造成危害[4-5]。文獻[6]提出了一種考慮不平衡故障的VSG 平衡電流控制方法，能夠有效地控制VSG 在電網電壓不平衡時輸出三相平衡電流。文獻[7-9]提出了針對不平衡故障的正負序獨立控制策略，兼顧了不平衡故障下的有功和無功輸出。文獻[10-11]分別介紹了VSG 的兩種控制原理，其中電流控制的VSG 具有良好的功率解耦能力。通過基于正負序電壓控制和改進的控制技術[12-13]，使其在面對不對稱故障情況依然具備頻率與電壓調節能力。

新能源并網發生電壓跌落時要具備低電壓穿越能力[14-15]。通常在容量較大的新能源場站點配備無功補償裝置，應對電壓穩定問題，滿足非故障下的新能源電壓指標[16-17]。因此，形成了靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）和VSG 的協調控制策略，以解決單一VSG 對電壓支撐不足的缺陷。然而，多個場站使用傳統協調控制時會導致系統通信延時，造成安全問題。

數字孿生（Digital Twin，DT）在工業4.0 中起著關鍵作用[18-19]，是許多新興技術的核心部分。DT 是系統的實時數字模型[20]，會根據系統的實時數據不斷更新。文獻[21]開發了一個基于DT 的光伏故障分析系統，以實現快速故障識別與診斷。文獻[22]提出了關于故障診斷的應用，其目的是使用DT 監測和評估一個特定系統的健康狀況。文獻[23]提出了一個數據驅動的DT 框架，用于電網的在線分析。

本文提出了一種基于DT 技術的VSG 和STATCOM 的優化協調控制策略。在不平衡故障下，構建控制結構和控制目標，在保證電流不越限的前提下，最大化實現電壓支撐。

1 VSG 和STATCOM 的控制結構和控制目標

1.1 VSG的改進控制結構

本文采用電流控制型VSG 如圖1 所示。其中，主電路由轉換器（1/1.5）、濾波器（PI 和ωL）和逆變器（dq+/αβ和αβ/abc）組成。Pset和Qset分別為有功和無功的啟動設定，Qdref為無功功率參考值，Ks為無功功率控制回路的慣性系數，Dq為電壓下垂系數，Vn和Vmax分別為電壓額定值和最大值，分別為d 軸和q 軸正序電壓的幅值，Vn和Vmax分別為額定相電壓幅值和最大相的電壓幅值，分別為d軸和q軸正序電流，分別為d軸和q軸的正序參考電流，φ和ω分別為VSG電角度和角速度，S1～S6為逆變器輸出信號。

圖1 改進的VSG控制結構Fig.1 Improved control structure of VSG

通過控制電流調節VSG 輸出的功率[24-25]和正負序電流應對可能發生的不平衡故障[26]。避免不對稱電壓跌落時頻率的暫態變化對系統的影響，故障時需關閉VSG 的有功下垂環節。

此時VSG 參考電流可表示為：

式中：Id_vsg，Iq_vsg分別為d軸和q軸參考電流。

1.2 STATCOM的改進控制結構

STATCOM 的控制結構如圖2 所示。STATCOM發送無功功率時，Pset被設置為0。

圖2 改進的STATCOM的控制系統Fig.2 Improved control system of STATCOM

1.3 不平衡故障下的控制目標

為了提高VSG 故障期間的整體性能，控制目標為電壓支撐和電流限制，旨在安全情況下提高故障穿越能力。本節介紹的改進控制方法是基于1.1 節改進的控制拓撲結構，在干擾期間仍能保持阻尼和慣性支撐。

1.3.1 電壓支撐控制目標

在不平衡故障期間，公共連接點（Point of Common Coupling，PCC）的三相電壓幅值可以用正負序分量來表示，即：

式中：?為電壓初始相角；V+和V-為相應的正負序電壓的幅值；?=δ++δ-，δ+和δ-分別為正負序電壓的初始相角。

在發生不平衡故障的情況下，建立以下約束條件，以確保三相電壓在電壓支撐后都不越限。

式中：Vmax為最大相電壓幅值；Vupper為相電壓幅值約束的上限。

結合式（2）和式（3），最大相電壓幅值Vmax可以表示為：

式（4）建立了正序電壓幅值V+與最大相電壓幅值Vmax的關系。當Vmax提高到Vupper時，逆變器實現了正序電壓的最大化支撐，同時相電壓幅值不越限。假設Vmax=Vupper，在電壓最大化支撐下，相應的正序參考電壓可以表示為：

1.3.2 電流限制控制目標

當電網電壓跌落嚴重時，逆變器會限制輸出電流，以保護自身的運行。

式中：δI為電流初始相角。

根據電流限制要求，逆變器的最大輸出電流將被限制在：

式中：Ilim為最大輸出電流限值。

不對稱故障下需滿足電流三相平衡，所以將負序參考電流設置為0，如：

對于單一的新能源場站來說，容量直接決定了它在故障時的支撐力度。在發生故障期間，安裝在新能源場站的STATCOM 可以為場站提供更強大的支撐。VSG 和STATCOM 之間的優化協調可以提高場站的低電壓穿越能力。

2 基 于DT 的VSG 和STATCOM 協調控制策略

2.1 VSG和STATCOM之間協調控制的原則

本文的協調控制目標是提高由VSG 和STATCOM 組成的場站的并網電壓。VSG 可以為電力系統提供阻尼和慣性，利用VSG 提供電壓支撐，可以保持電力系統的穩定性。STATCOM 和VSG 協調控制的原理如下：

1）當STATCOM 和VSG 同時存在時，優先考慮充分利用VSG 來支撐電壓，如式（1）所示。

2）當VSG 不能獨立支撐電壓的時候，STATCOM和VSG 之間進行協調控制，共同支撐PCC 點并網電壓。為了保證VSG 的有功輸出并且減少變量方便后續計算，VSG 的有功電流參考值被設定為定值，經多次實驗證明有功參考電流設定為定值時能較好完成多目標控制，且當定值為0.53 p.u.時特征最為明顯。無功電流參考值為：

Vmax由式（1）得出，具體如下：

當PCC 母線的最大相電壓幅值小于Vmax時，VSG 和STATCOM 進行協調控制，然后使Vmax=Vupper代入式（12），計算STATCOM 的無功參考電流。

2.2 基于DT的協調控制策略

基于DT 的協調控制策略如圖3 所示。其中，主電路由脈沖調制整流器PWM、逆變器、LC 整流器（Lc和C）和交流電網Grid 組成；PCC 為并網母線，Vdc為直流側電壓，Lg和Vg為電網等效阻抗和電網電壓。

圖3 基于數字孿生的協調控制策略Fig.3 DT-based coordinated control strategy

STATCOM 和VSG 的控制參數可以由數字孿生模型根據電壓跌落情況來估計，而不依賴于VSG 與STATCOM 之間實時通信。

本文設計了如圖4 所示的基于電壓跌落的自動場景區分控制。根據電壓跌落的具體情況，將協調控制模型分為DT1 和DT2。DT1 適用于VSG 單獨支撐電壓的情況；DT2 適用于VSG 和STATCOM需要協調支撐電壓的情況。在DT2 中，參考電流的實時數值可以根據電壓跌落來估計，從而實現協調控制，不需要VSG 和STATCOM 之間的實時通信。每次電壓跌落時都會計算出PCC 節點相應的最大相電壓幅值，并與式（13）得出的Vmax進行比較，以自動區分場景。

圖4 基于電壓跌落的自動場景區分控制Fig.4 Automatic scenario classification control based on voltage drop

3 新能源控制的DT建模及參考電流計算

3.1 新能源控制的DT建模

建立DT 模型通常需要詳細了解新能源協調場站及其內部控制器的具體參數，但現實中很難獲得準確的控制參數。因此，本文利用MATLAB 建立了新能源協調場站模型，其中具體參數隨機設定，然后利用數據驅動的方法來捕捉新能源場站在應對不平衡故障時的動態響應，以傳遞函數的形式生成DT 模型。

DT 建模過程如圖5 所示。

圖5 基于數字孿生的控制建模方法Fig.5 DT-based control modeling method

在新能源場站的PCC 母線上施加1 個不平衡電壓。系統計算出相應PCC 母線的最大相電壓幅值，以表示電壓跌落程度。額定相電壓幅值Vn減去PCC 母線的最大相電壓幅值Vmax和所產生的總正序無功電流2 組數據將被收集并以時間序列的形式記錄下來，隨后分別導入MATLAB 中的系統識別工具箱的輸入和輸出端口以生成傳遞函數。建立了電壓跌落和無功參考電流的關系，如圖5 中的第一階段所示。

生成的傳遞函數DT1 和DT2 分別代表VSG 單獨支撐和VSG 與STATCOM 協同支撐的兩種情況。并設計了當PCC 母線最大相電壓幅值超過臨界值時自動切換模式。階段1 和階段2 的過程可以自動進行，直到模型的準確性滿足要求為止。一旦模型的精度達到預期標準，該模型就可以在平臺上生成，作為新能源協調場站的DT。

3.2 控制參考電流計算

本文采用DT 作為控制系統的電流外環，計算出VSG 和STATCOM 相應的參考電流，以便在相應的情況下進行控制，如圖6 所示。

圖6 基于DT的控制策略Fig.6 DT-based control strategy

1）輕度電壓跌落：根據所施加的不平衡電壓計算出的最大相電壓幅值小于式（13）的Vmax。

僅依靠VSG 輸出的無功功率就可以實現電壓支撐，STATCOM 不需要發出無功功率。參考電流如式（14）所示。

2）嚴重的電壓跌落：根據所施加的不平衡電壓計算出的最大相電壓幅值超過式（13）的Vmax。

根據較嚴重的電壓跌落情況，首先依靠VSG 來支撐電壓并保證有功功率的輸出，加入STATCOM進行協調控制。參考電流如式（15）：

4 仿真驗證

為驗證所提控制策略在不同運行場景下的有效性，基于MATLAB 建立了新能源協調場站并網運行系統。設定t=0.1～0.3 s 電網側母線發生不平衡跌落，計算出PCC 節點最大相電壓幅值，并根據式（13）得出的結果進行自動場景區分和協調控制。仿真場景的設置和區分結果見表1 和表2。

表1 3個仿真場景設置Table 1 Setting of three simulation scenarios

表2 場景分類結果Table 2 Classification results of three scenarios

4.1 特定場景下的仿真結果

場景1：輕度電壓跌落，由DT1 控制。VSG 的有功輸出為固定值，當t=0.1 s 時，電網側母線發生輕度電壓（=0.8 p.u.,=0.2 p.u.）。場景1 下VSG 的輸出特征如圖7 所示。由圖7（a）和7（b）可知，基于DT 的控制策略對并網點電壓的支撐，最大相幅值達到1.01 p.u.，相電壓小于1.1 p.u.，電壓支撐滿足設定要求。由圖7（c）可知，在電壓跌落不嚴重的情況下，僅依靠VSG 輸出就可實現電壓支撐，協調場站的有功輸出維持在0.53 p.u.。

圖7 場景1下VSG的輸出特性Fig.7 Output characteristics of VSG under scenario 1

場景2：中度電壓跌落，加入STATCOM 協調控制，由DT2 控制。

場景2 下VSG 的輸出特征如圖8 所示。由圖8（a）和8（b）可知，基于DT 的控制策略完成了對并網點電壓的支撐，并網點電壓的最大相幅值達到1.01 p.u.，相電壓小于1.1 p.u.，電壓支撐滿足設定要求。由圖8（c）和8（d）可知，確定該場景為中度電壓跌落，該場景控制策略下無功參考電流依靠VSG 和STATCOM 協調控制實現，通過本文的控制算法和DT 技術，滿足了VSG 和STATCOM 的限流要求，并保證了定量有功功率輸出。

圖8 場景2下VSG的輸出特性Fig.8 Output characteristics of VSG under scenario 2

場景3：嚴重的電壓跌落，通過人為設置控制當t=0.2 s 時，電網側母線出現嚴重的電壓跌落（=0.2 p.u.,=0.25 p.u.）。

場景3 下VSG 的輸出特征如圖9 所示。由圖9（a）和9（b）可知，基于DT 的控制策略對并網點電壓的支撐，并網點電壓的最大相幅值達到0.77 p.u.，沒有達到電壓支撐設定目標要求。從圖9（c）和9（d）可知，該情景是非常嚴重的電壓跌落。VSG 和STATCOM 全部用于電壓支撐而不進行有功輸出，不符合電壓支撐要求。

圖9 場景3下VSG的輸出特性Fig.9 Output characteristics of VSG under scenario 3

4.2 與獨立VSG電壓支撐效果的比較

與基于DT 技術的STATCOM 和VSG 的協調控制相比，獨立VSG 在面對電壓跌落時也是以相電壓上限為目標進行電壓支撐，在不引入STATCOM 的情況下，只改變VSG 的輸出特性來支撐電壓。

本文設置了4 個場景：輕度電壓跌落、中度電壓跌落、嚴重電壓跌落和嚴重電壓不平衡。情景的設置和區分結果見表3 和表4。

表3 4個仿真場景設置Table 3 Setting of four simulation scenarios

表4 4個場景分類的結果Table 4 Classification results of four scenarios

4.3 與傳統帶STATCOM的VSG支撐效果比較

當t=0.2 s 時，在電網側母線施加與場景2 相同的電壓（=0.5 p.u.,=0.27 p.u.）。并設定新能源場協調場站具體參數。

場景2 下傳統VSG 的輸出特征如圖10 所示。從圖10（a）和圖10（b）可知，傳統新能源協調場站在電壓支撐控制策略下和基于數字孿生的新能源協調場站最終都可以將并網點最大相電壓幅值維持在1.01 p.u.。但2 種不同的控制下初始最大相電壓幅值分別為0.97 p.u.和0.89 p.u.。所以，數字孿生技術對于降低協調控制時的通信延時具有較好的作用。

圖10 場景2下傳統VSG的輸出特性Fig.10 Output characteristics of conventional VSG under scenario 2

5 結論

本文提出的基于數字孿生的VSG 和STATCOM協調控制模型，有效減少了對實時通信的需求和依賴，并提高了新能源場站的電壓支撐能力。

1）所提的電壓支撐協調控制策略按照新能源并網點電壓運行要求，實現了電壓支撐并保證了相電壓幅值不越限。

2）基于運用場景區分的VSG 與STATCOM 的協調控制方法，不僅能安全地支撐并網點電壓，提升電壓支撐能力，還可以實現電流限幅和保證功率輸出等目標。

3）基于數字孿生技術，建立了VSG 和STATCOM的數字孿生映射模型，有效的解決了協調控制過程中過度依賴實時通信和具體系統參數未知的問題，提高了VSG 和STATCOM 的協調控制效果。