基于虛擬同步電機(jī)的負(fù)荷變流器控制方法研究

何光輝，張仰飛，董天雄，陳光宇，紀(jì) 思

（1.南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，南京 211167；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000）

基于虛擬同步電機(jī)的負(fù)荷變流器控制方法研究

何光輝1，張仰飛1，董天雄1，陳光宇1，紀(jì) 思2

（1.南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，南京 211167；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000）

隨著大量負(fù)荷變流器接入電網(wǎng)，電網(wǎng)逐步發(fā)展為以電力電子變換器為主導(dǎo)的低慣量、欠阻尼網(wǎng)絡(luò)，電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性受到嚴(yán)峻考驗(yàn)。負(fù)荷作為電網(wǎng)的參與者，也應(yīng)當(dāng)承擔(dān)維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定的責(zé)任?；谔摂M同步電機(jī)技術(shù)，提出了一種負(fù)荷變流器控制方法，介紹了該控制方法的基本原理，闡述了有功/頻率、無(wú)功/電壓調(diào)節(jié)的控制方法，并在3種工況下進(jìn)行了Matlab/Simulink仿真。仿真結(jié)果表明該方法可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷與電網(wǎng)的互動(dòng)，有利于促進(jìn)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

虛擬同步電機(jī)；負(fù)荷變流器；互動(dòng)；穩(wěn)定性

0 引言

隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略構(gòu)想的提出，國(guó)家能源發(fā)展面臨重大戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，電網(wǎng)迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，電網(wǎng)功能形態(tài)發(fā)生巨大變化，對(duì)電網(wǎng)技術(shù)水平提出了新的要求，電網(wǎng)供需現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)了一些新的特征[1]。負(fù)荷作為電網(wǎng)的參與者，也應(yīng)擔(dān)負(fù)起維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定的責(zé)任，如何應(yīng)對(duì)快速增長(zhǎng)的可控負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)就地同步并加強(qiáng)電網(wǎng)與可控負(fù)荷的聯(lián)系是當(dāng)前研究的重點(diǎn)[2]。基于電力電子變流器的可控負(fù)荷的響應(yīng)速度非?？欤易陨頉](méi)有同步電機(jī)所固有的旋轉(zhuǎn)慣性和阻尼分量，當(dāng)電力系統(tǒng)中接入過(guò)多時(shí)，必定會(huì)威脅到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，電網(wǎng)的波動(dòng)會(huì)對(duì)負(fù)荷造成直接影響，損害負(fù)荷側(cè)用戶的體驗(yàn)和利益。如果能在負(fù)荷中虛擬出類似于同步電機(jī)的“同步”機(jī)制，使得負(fù)荷具有同步機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的慣性、阻尼特性、有功調(diào)頻、無(wú)功調(diào)壓等運(yùn)行外特性，將有利于提升負(fù)荷與電網(wǎng)互動(dòng)程度，改善電網(wǎng)的頻率和電壓穩(wěn)定性。

虛擬同步電機(jī)技術(shù)使變流器模擬傳統(tǒng)同步電機(jī)成為可能[3，4]，且因其對(duì)電網(wǎng)天然友好，逐步成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]首次提出了用于分布式并網(wǎng)的“同步逆變器”的概念。文獻(xiàn)[6—8]提出改進(jìn)的虛擬同步電機(jī)模型，改善了虛擬同步電機(jī)的性能。文獻(xiàn)[13—15]提出了幾種針對(duì)電網(wǎng)電能傳輸模塊的控制策略。文獻(xiàn)[9]提出無(wú)需鎖相環(huán)就可檢測(cè)電網(wǎng)頻率的虛擬同步電機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)有功/頻率下垂控制。文獻(xiàn)[10]提出一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)原理的等效功率平抑及頻率補(bǔ)償方法。文獻(xiàn)[11]提出一種電動(dòng)汽車快充方案，將整個(gè)充電樁等同為一個(gè)同步電機(jī)負(fù)荷來(lái)看，但未述及電網(wǎng)的波動(dòng)對(duì)負(fù)荷有何影響。文獻(xiàn)[12]提出一種能量路由器電路，在直流母線電壓受擾偏低時(shí)，主動(dòng)降低負(fù)荷電壓，少向母線取用功率，支撐母線電壓恢復(fù)，但也因此大大影響了負(fù)荷側(cè)用戶的體驗(yàn)，損害了負(fù)荷側(cè)用戶利益。以上文獻(xiàn)大多針對(duì)分布式電源并網(wǎng)部分或是電能傳輸模塊展開研究，對(duì)同樣是電網(wǎng)參與者的負(fù)荷，并沒(méi)有太多的研究。

以下提出一種負(fù)荷變流器控制方法（稱為負(fù)荷虛擬同步電機(jī)），能夠使負(fù)荷輸出端電壓穩(wěn)定在額定值，在電網(wǎng)電壓受到擾動(dòng)時(shí)，向電網(wǎng)吸收或發(fā)出無(wú)功功率，支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性有很大的提升作用。搭建了負(fù)荷虛擬同步電機(jī)的Matlab/Simulink仿真模型并進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的可行性和有效性。

1 負(fù)荷虛擬同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

負(fù)荷虛擬同步電機(jī)的本質(zhì)是利用虛擬同步電機(jī)技術(shù)控制變流器來(lái)模擬傳統(tǒng)同步電機(jī)的工作狀況，從而虛擬出同步電機(jī)的運(yùn)行特性。其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，Q1—Q6組成三相逆變橋，Rz為負(fù)荷變流器負(fù)載內(nèi)阻?？刂撇糠种饕晒β士刂撇糠趾拓?fù)荷虛擬同步電機(jī)算法組成，功率控制部分包含有功/頻率控制、無(wú)功/電壓控制。將測(cè)得的端電壓uabc和電流iabc送入負(fù)荷虛擬同步電機(jī)算法中，得到相應(yīng)的控制信號(hào)?？刂菩畔⑼ㄟ^(guò)PWM（脈寬調(diào)制）送回到變流器。

虛擬同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型一般用經(jīng)典二階模型來(lái)描述[16]。不同于電源側(cè)虛擬同步電機(jī)，負(fù)荷虛擬同步電機(jī)的定子電流的方向與電源側(cè)虛擬同步電機(jī)的定子電流方向相反。設(shè)定負(fù)荷虛擬同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)為1，其機(jī)械方程為：

圖1 負(fù)荷虛擬同步電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

式中：δ為虛擬同步電機(jī)的相角；ω為虛擬同步電機(jī)的角頻率；J為虛擬同步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Tm，Te和Td分別為虛擬同步電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩；D為阻尼系數(shù)；ω0為額定角頻率。

其電磁方程為：

式中：eabc為負(fù)荷虛擬同步電機(jī)的電勢(shì)；uabc為虛擬同步電機(jī)的機(jī)端電壓；L，R分別為虛擬同步電機(jī)的定子電感和定子繞組，分別對(duì)應(yīng)交流接口處的濾波電感及其寄生電阻。

2 負(fù)荷虛擬同步電機(jī)控制方法

為了實(shí)現(xiàn)負(fù)荷變流器接口與電網(wǎng)的主動(dòng)交互，根據(jù)電網(wǎng)的頻率、電壓調(diào)節(jié)負(fù)荷的有功和無(wú)功功率，提出負(fù)荷虛擬同步電機(jī)模型。負(fù)荷虛擬同步電機(jī)的控制框圖如圖2所示。

2.1 有功/頻率控制

負(fù)荷虛擬同步電機(jī)的有功/頻率控制框圖如圖3所示。

在有功/頻率控制中，負(fù)荷側(cè)測(cè)得負(fù)荷電壓Udc與負(fù)荷參考電壓Udcref相比較后，進(jìn)行PI控制，然后將PI控制器的結(jié)果與負(fù)荷側(cè)電壓參考值相乘，可以得到有功功率的參考值Pref。

負(fù)荷虛擬同步電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm由額定轉(zhuǎn)矩指令T0和頻率調(diào)節(jié)的部分ΔTf組成，可表示為：

式中：額定轉(zhuǎn)矩指令T0=Pref/ω；頻率調(diào)節(jié)的部分ΔTf=kf（f-fref）； kf為頻率調(diào)節(jié)系數(shù)；f為負(fù)荷虛擬同步電機(jī)機(jī)端電壓的頻率；fref為電網(wǎng)額定頻率。

圖2 負(fù)荷虛擬同步電機(jī)的控制框圖

圖3 負(fù)荷虛擬同步電機(jī)有功/頻率控制框圖

負(fù)荷虛擬同步電機(jī)的電磁功率由電勢(shì)eabc和電流iabc得出，表示為：

以某城市軌道交通1號(hào)線為例進(jìn)行測(cè)試分析。該線路的列車旅行速度約為35 km/h。由于牽引整流機(jī)組容量一般按遠(yuǎn)期負(fù)荷確定，故選取該線路的遠(yuǎn)期高峰小時(shí)列車開行對(duì)數(shù)(30對(duì)/h)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以推算出：遠(yuǎn)期高峰小時(shí)兩列列車之間的間隔約為1.167 km，且一個(gè)大雙邊供電分區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)4列列車同時(shí)起動(dòng)的情況?？紤]到線路開通試運(yùn)營(yíng)前的綜合聯(lián)調(diào)、試運(yùn)行、運(yùn)營(yíng)演練等工作的統(tǒng)籌安排，牽引供電系統(tǒng)供電能力測(cè)試推薦選取以下兩種典型場(chǎng)景進(jìn)行。

電磁轉(zhuǎn)矩由電磁功率與負(fù)荷虛擬同步電機(jī)的功角得到，表示為：

2.2 無(wú)功/電壓控制

圖4為負(fù)荷虛擬同步電機(jī)無(wú)功/電壓控制框圖。在無(wú)功/電壓控制中，負(fù)荷虛擬同步電機(jī)的無(wú)功功率由式（7）可得：

負(fù)荷虛擬同步電機(jī)的電勢(shì)指令分別由電機(jī)的空載電勢(shì)E0、無(wú)功調(diào)節(jié)的部分ΔEQ以及電壓調(diào)節(jié)的部分ΔEU組成，可以表示為：

其中，無(wú)功調(diào)節(jié)的部分ΔEQ和電壓調(diào)節(jié)的部分ΔEU表示為：

圖4 負(fù)荷虛擬同步電機(jī)無(wú)功/電壓控制框圖

式中：kq，ku分別為無(wú)功、電壓調(diào)節(jié)系數(shù)；Qref和Q分別為交流接口處的無(wú)功指令和瞬時(shí)無(wú)功功率；Uref和U分別為負(fù)荷虛擬同步電機(jī)的輸出電壓有效值指令以及真實(shí)值。

可以得到虛擬同步電機(jī)的虛擬電勢(shì)矢量：

進(jìn)而，由式（3）可以得到負(fù)荷虛擬同步電機(jī)的電流指令值iabcref，與電網(wǎng)電流iabc比較后，通過(guò)跟蹤正弦信號(hào)效果更好的準(zhǔn)PR控制器控制電網(wǎng)電流[17， 18]。

3 算例仿真

（1）工況1。初始穩(wěn)定運(yùn)行后，0.3 s時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓受到擾動(dòng)出現(xiàn)電壓跌落，跌落到原來(lái)的90%；0.5 s時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓回到正常狀態(tài)；0.7 s時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓受到擾動(dòng)出現(xiàn)電壓上升，上升了10%；0.9 s時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓回到正常狀態(tài)。

（2）工況2。初始穩(wěn)定運(yùn)行后，0.3 s時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓受到擾動(dòng)，頻率上升了0.5 Hz；0.5 s時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓頻率回到正常狀態(tài)。

（3）工況3。初始穩(wěn)定運(yùn)行后，0.3 s時(shí)，負(fù)荷側(cè)突然有內(nèi)阻為50 Ω的阻性負(fù)載加在負(fù)荷虛擬電機(jī)負(fù)荷側(cè)；0.5 s時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生故障，A相電壓變?yōu)樵瓉?lái)的90%；0.7 s時(shí)，A相電壓回到正常狀態(tài)；0.9 s時(shí)，A相電壓上升10%；1.1 s時(shí)，A相電壓回到正常狀態(tài)。

4 仿真結(jié)果

圖5給出了工況1的仿真波形。圖5（a）為負(fù)荷虛擬同步電機(jī)負(fù)荷側(cè)直流電壓波形，開機(jī)后經(jīng)過(guò)短暫的振蕩，負(fù)荷側(cè)直流電壓穩(wěn)定在600 V；在網(wǎng)側(cè)電壓出現(xiàn)擾動(dòng)后，無(wú)論網(wǎng)側(cè)電壓下降還是上升，經(jīng)過(guò)短暫的振蕩后，直流側(cè)母線電壓穩(wěn)定在600 V。圖5（b）為負(fù)荷虛擬同步電機(jī)無(wú)功功率的波形，當(dāng)電網(wǎng)電壓變化時(shí)，負(fù)荷虛擬同步電機(jī)的無(wú)功功率相應(yīng)變化，與電網(wǎng)形成互動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的電壓恢復(fù)有一定的支撐作用。

圖6給出了工況2的仿真波形。圖6（a）為負(fù)荷虛擬同步電機(jī)負(fù)荷側(cè)直流電壓波形，負(fù)荷側(cè)電壓穩(wěn)定后，網(wǎng)側(cè)電壓頻率上升時(shí)，負(fù)荷側(cè)電壓經(jīng)過(guò)短暫的振蕩回到額定值。圖6（b）為負(fù)荷虛擬同步電機(jī)角頻率，由圖可知，負(fù)荷虛擬同步電機(jī)可以準(zhǔn)確跟蹤網(wǎng)側(cè)電壓頻率。

圖5 工況1仿真波形

圖6 工況2仿真波形

圖7給出了工況3的仿真波形。圖7（a）為負(fù)荷虛擬同步電機(jī)負(fù)荷側(cè)直流電壓波形，0.3 s時(shí)，突然增加的負(fù)載導(dǎo)致負(fù)荷側(cè)電壓暫降，經(jīng)過(guò)振蕩后，又回到額定值；A相電壓的波動(dòng)短暫影響負(fù)荷側(cè)電壓，但是最終還是回到額定值。圖7（b）為負(fù)荷虛擬同步電機(jī)有功功率波形，可知突加的并聯(lián)負(fù)載使負(fù)荷虛擬電機(jī)有功功率增大。圖7（c）為負(fù)荷虛擬同步電機(jī)無(wú)功功率波形，電網(wǎng)單相電壓變化時(shí)，負(fù)荷虛擬同步電機(jī)無(wú)功功率也相應(yīng)變化，支撐電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。

圖7 工況3仿真波形

5 結(jié)論

基于虛擬同步電機(jī)技術(shù)，提出了一種負(fù)荷變流器控制方法。利用Matlab/Simulink搭建模型并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明了該方法的可行性和有效性?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論：

（1）所提基于虛擬同步電機(jī)的負(fù)荷變流器控制方法，能夠虛擬出傳統(tǒng)電網(wǎng)中所存在的慣性和阻尼。負(fù)荷虛擬電機(jī)可以根據(jù)電網(wǎng)的變化，改變自身的有功/無(wú)功功率，與電網(wǎng)互動(dòng)，從而對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定起到一定的支撐作用。

（2）所提基于虛擬同步電機(jī)的負(fù)荷變流器控制方法，無(wú)需測(cè)量電網(wǎng)側(cè)的電壓頻率，可以準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)的頻率變化。

（3）所提基于虛擬同步電機(jī)的負(fù)荷變流器控制方法，通過(guò)控制負(fù)荷變流器來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷與電網(wǎng)的互動(dòng)，為從負(fù)荷側(cè)提升電網(wǎng)穩(wěn)定性提供了思路。

[1]余貽鑫，劉艷麗.智能電網(wǎng)的挑戰(zhàn)性問(wèn)題[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39（2）∶1-5．

[2]李威，丁杰，姚建國(guó)．智能電網(wǎng)發(fā)展形態(tài)探討[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（2）∶24-28．

[3]丁明，楊向真，蘇建徽．基于虛擬同步發(fā)電機(jī)思想的微電網(wǎng)逆變電源控制策略[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（8）∶89-93．

[4]張興，朱德斌，徐海珍．分布式發(fā)電中的虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)[J]．電源學(xué)報(bào)，2012，41（3）∶1-6．

[5]ZHONG Q C，WEISS G．Synchronverters：Inverters that mimic synchronous generators[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58（4）∶1259-1267．

[6]侍喬明，王剛，付立軍，等．基于虛擬同步發(fā)電機(jī)原理的模擬同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)方法[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（3）∶783-790．

[7]孟建輝，王毅，石新春，等．基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的分布式逆變電源控制策略及參數(shù)分析[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29（12）∶1-10．

[8]趙楊陽(yáng)，柴建云，孫旭東．基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的柔性虛擬調(diào)速器模型[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016，40（10）∶8-15．

[9]余洪偉，劉進(jìn)軍，劉增，等．一種改進(jìn)型虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法研究[J]．電力電子技術(shù)，2015，49（11）∶63-65．

[10]李治中，哈立原．基于電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制方法研究[J]．電子器件，2016，39（2）∶432-436．

[11]呂志鵬，梁英，曾正，等．應(yīng)用虛擬同步電機(jī)技術(shù)的電動(dòng)汽車快充控制方法[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（25）∶4284-4294．

[12]盛萬(wàn)興，劉海濤，曾正，等．一種基于虛擬電機(jī)控制的能量路由器[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（14）∶3541-3550．

[13]阮立煜．基于粒子群算法的VSC-HVDC控制參數(shù)優(yōu)化[J]．浙江電力，2015，34（1）∶9-13．

[14]張昕，杜俊杰，曾東，等．含VSC-HVDC系統(tǒng)的風(fēng)光并網(wǎng)極限容量的研究[J]．浙江電力，2016，35（12）∶64-68．

[15]吳俊，方芳，趙曉明．柔性直流輸電舟洋換流站無(wú)源HVDC啟動(dòng)試驗(yàn)中典型故障分析[J]．浙江電力，2016，35（1）∶6-9．

[16]張興，汪楊俊，余暢舟，等．采用PI+重復(fù)控制的并網(wǎng)逆變器控制耦合機(jī)理及其抑制策略[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（30）：5287-5295．

[17]周潔，羅安，陳燕東，等．低壓微電網(wǎng)多逆變器并聯(lián)下的電壓不平衡補(bǔ)償方法[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（2）：412-418．

[18]倪以信，陳壽孫，張寶霖．動(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2002．

Research on Load Converter Control Method Based on Virtual Synchronous Motor

HE Guanghui1， ZHANG Yangfei1， DONG Tianxiong1， CHEN Guangyu1， JI Si2

（1.School of Electric Power Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China；2.Chuxiong Power Supply Company，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Chuxiong Yunnan 675000， China）

With grid integration of a large number of load converters，power grid is gradually developing into a low inertia and less damped network dominated by power electronic converters and faces severe stability and safety challenges.As a participant in the grid，load should also be responsible for maintaining the stability of the grid.Based on the virtual synchronous motor technology，this paper presents a load converter control method and introduces basic principles of the control method； besides， it elaborates on an active/frequency and reactive/voltage regulation control method and carries out Matlab/Simulink simulation in three different operating conditions.The simulation result shows that the method can realize the interaction between the load and the grid，and is conducive to grid voltage stability promotion.Feasibility and effectiveness of the method are verified.

virtual synchronous motor； load converter； interaction； stability

10.19585/j.zjdl.201709004

1007-1881（2017）09-0019-05

TM341

A

江蘇省配電網(wǎng)智能技術(shù)與裝備協(xié)同創(chuàng)新中心開放基金資助項(xiàng)目（XTCX201713）

2017-06-12

何光輝（1993），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制。

（本文編輯：方明霞）