同步逆變器并離網(wǎng)切換策略研究

張欽臻，朱鵬鵬

（上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,上海 201306）

1 概述

隨著全球化石燃料的不斷消耗及環(huán)境問(wèn)題的日益加重，推動(dòng)了微電網(wǎng)及可再生分布式能源發(fā)電技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用[1]。然而大量的可再生分布式發(fā)電單元通過(guò)電力電子接口接入電網(wǎng)，傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)所具有的阻尼及慣性不足以維持電網(wǎng)穩(wěn)定、高效的運(yùn)行[2]，亟需一種友好的并網(wǎng)設(shè)備連接微電網(wǎng)與電網(wǎng)。虛擬同步機(jī)是將電力電子變流器控制成具有傳統(tǒng)同步機(jī)內(nèi)部阻尼、慣量特性和外部下垂特性的方法[3]。其中作為虛擬同步機(jī)的一種實(shí)現(xiàn)方式——同步逆變器將同步機(jī)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)化為電壓參考指令，引入到逆變器的控制中，并根據(jù)需要在逆變器直流側(cè)配備充足的儲(chǔ)能單元即可為系統(tǒng)提供慣量支撐，提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[4]提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)的并離網(wǎng)切換策略，但沒(méi)有考慮并網(wǎng)時(shí)無(wú)功功率對(duì)微電網(wǎng)帶來(lái)的沖擊。文獻(xiàn)[5]基于虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的無(wú)縫切換策略，可以很好的進(jìn)行離/并網(wǎng)切換，但是結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

本文在研究同步逆變器結(jié)構(gòu)、控制原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)微電網(wǎng)并網(wǎng)、離網(wǎng)的兩種工作狀態(tài)，提出了采用同步逆變器技術(shù)的微電網(wǎng)無(wú)縫切換策略。在Matlab/Simulink 中搭建了仿真模型，驗(yàn)證了所提出無(wú)縫切換策略的有效性。

2 同步逆變器的原理

2.1 同步逆變器的控制原理

同步逆變器由物理結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)兩部分構(gòu)成。

物理結(jié)構(gòu)上，由圖1 所示，同步逆變器由直流側(cè)電源、三相全橋拓?fù)?、LC 濾波器、并/離網(wǎng)切換裝置構(gòu)成。圖中Udc為直流側(cè)電壓，eabc為三相全橋拓?fù)錁虮厶幍碾妷嚎傻刃橥綑C(jī)的內(nèi)電勢(shì)，C 為濾波電容、L 為濾波電感模擬同步機(jī)的定子電感，L 的等效電阻及功率器件的寄生電阻模擬同步機(jī)的定子電阻，UCabc為L(zhǎng)C 濾波器中電容電壓等效為同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓。進(jìn)而同步逆變器的電磁方程表示為：

式中：iabc為同步逆變器濾波電感中的電流，R 為同步逆變器電阻。

控制結(jié)構(gòu)上，由采樣和控制電路兩部分構(gòu)成。采樣電路將采集到同步逆變器濾波電容側(cè)的電壓及濾波電感中的電流引入到同步逆變器的控制電路中產(chǎn)生逆變器的指令電壓，從而控制同步逆變器的輸出電壓。同步逆變器的機(jī)械控制方程表示為：

式中：θ 為同步逆變器的功角，J 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Te和 Tm分別為同步逆變器的電磁、機(jī)械轉(zhuǎn)矩，ω 和ωn分別為同步逆變器的虛擬角速度、額定角速度，Dp為同步逆變器的阻尼系數(shù)，同步逆變器的機(jī)械轉(zhuǎn)矩可由式（3）計(jì)算得出

圖1 同步逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制圖

式中：Pe為同步逆變器的電磁功率。

式（2）為同步機(jī)的機(jī)械方程也就是人們常說(shuō)的發(fā)電機(jī)搖擺方程，同步逆變器將上述的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J 引入到控制方程中，使逆變器在頻率、功率的動(dòng)態(tài)變化中具備了慣性，阻尼系數(shù)Dp的引入使逆變器的功率波動(dòng)具備了阻尼特性。

2.2 同步逆變器的有功功率設(shè)定

當(dāng)傳統(tǒng)同步機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，依據(jù)電網(wǎng)的頻率與自身下垂系數(shù)，通過(guò)調(diào)速器、調(diào)頻器來(lái)改變其機(jī)械轉(zhuǎn)矩的輸出。借鑒上述原理，同步逆變器通過(guò)引入虛擬的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm作為參考機(jī)械轉(zhuǎn)矩，由指令機(jī)械轉(zhuǎn)矩和頻率反饋指令轉(zhuǎn)矩兩部分組成：

式中：Pref為同步逆變器的有功指令功率，kf為調(diào)頻系數(shù)。

2.3 同步逆變器的無(wú)功功率設(shè)定

傳統(tǒng)同步機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)同步機(jī)的機(jī)端電壓與輸出的無(wú)功功率。同步逆變器可以通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)在的虛擬電勢(shì)來(lái)模擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓及調(diào)節(jié)無(wú)功功率的輸出。

將無(wú)功功率引入到同步逆變器的電壓調(diào)整中，可增強(qiáng)微電網(wǎng)在孤島和并網(wǎng)模式切換時(shí)的穩(wěn)態(tài)性能，同步逆變器的虛擬電勢(shì)E 可以表示為：

式中：Eref為同步逆變器的電勢(shì)指令值，kq為電壓-無(wú)功調(diào)節(jié)系數(shù)，Qref為同步逆變器的無(wú)功功率指令值，Q 為同步逆變器輸出的無(wú)功功率。

3 同步逆變器的并/離網(wǎng)切換策略

交流微電網(wǎng)一般以光伏、風(fēng)力等可再生的分布電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能電池等設(shè)備串接在交流母線上組成，在交流側(cè)通過(guò)PCC 耦合點(diǎn)與電網(wǎng)相連接，其具有并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種工作模式。在傳統(tǒng)微電網(wǎng)中至少有一臺(tái)并網(wǎng)逆變器做PQ、V/F 雙模式切換。微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，有雙模式運(yùn)行能力的并網(wǎng)逆變器采集電網(wǎng)側(cè)電壓和頻率運(yùn)行于PQ 控制模式，根據(jù)自身有功、無(wú)功功率指令向負(fù)荷及電網(wǎng)輸送容量；當(dāng)微電網(wǎng)處于離網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，雙模式運(yùn)行的并網(wǎng)逆變器由PQ 控制切換至V/F 控制，維持微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定，為系統(tǒng)內(nèi)其它逆變器提供電壓和頻率的參考。但通過(guò)切換雙模式并網(wǎng)逆變器的工作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)工作模式的切換往往比較復(fù)雜且操作不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)遭受大電流沖擊。同時(shí)并網(wǎng)逆變器的雙模式切換需要時(shí)間，在切換過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)頻率周期的電壓中斷，影響系統(tǒng)中敏感負(fù)荷的工作。

3.1 并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)

由第二章的介紹可知，同步逆變器具有與同步機(jī)相同的電壓外特性，可以等效獨(dú)立的電壓源，因此，在微電網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行模式轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行模式的時(shí)刻，同步逆變器仍能夠保持并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)的功角和電壓，保證無(wú)縫、平滑的切換。在切換完成后，同步逆變器根據(jù)參考有功、無(wú)功功率指令，結(jié)合自身的阻尼系數(shù)與微電網(wǎng)中負(fù)荷需求，運(yùn)行于新的功率平衡點(diǎn)，為孤島運(yùn)行的微電網(wǎng)提供電壓和頻率的支撐。

3.2 離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)

當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行模式時(shí)，由于系統(tǒng)中負(fù)荷的種類及其自身的工作模式，其電壓、頻率和相角會(huì)與電網(wǎng)產(chǎn)生偏差。

以同步逆變器電壓Ua和電網(wǎng)電壓Uga為例，兩電壓的瞬時(shí)差值為：

假設(shè)微電網(wǎng)孤島模式下a 相電壓幅值U2與電網(wǎng)a相電壓幅值近似相等時(shí)，兩電壓的瞬時(shí)差值可進(jìn)一步表示為：

由上式可知，孤島運(yùn)行模式下的微電網(wǎng)電壓與電網(wǎng)電壓之間峰值差可達(dá)2U1，如果不采取適當(dāng)?shù)牟⒕W(wǎng)方式，會(huì)給微電網(wǎng)、電網(wǎng)帶來(lái)較大的電流沖擊，輕則導(dǎo)致并網(wǎng)失敗，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致微電網(wǎng)解列，帶來(lái)不可逆的損失。所以要從電壓幅值同步、頻率同步、相位同步三個(gè)角度來(lái)討論同步逆變器的并網(wǎng)策略。

在微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，同步逆變器將電網(wǎng)電壓幅值作為參考引入到控制中以保持其輸出電壓幅值與電網(wǎng)電壓幅值差小于設(shè)定的差值（一般為并網(wǎng)電壓的5%），即可作為PCC 耦合點(diǎn)閉合的條件之一。

相位同步以消除同步逆變器和電網(wǎng)之間的相位差為目標(biāo)，在dq 坐標(biāo)系下微電網(wǎng)電壓Ua與d 軸夾角為θ 且以ω1的角速度旋轉(zhuǎn)，電網(wǎng)電壓Uga與d 軸夾角為θ1并以ω 的角速度旋轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)微電網(wǎng)電壓Ua的旋轉(zhuǎn)速度使其與電網(wǎng)電壓Uga重合，并以相同的速度旋轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)由孤島運(yùn)行向并網(wǎng)運(yùn)行模式的切換。

在控制方式上，將微電網(wǎng)電壓Ua、電網(wǎng)電壓Uga進(jìn)行派克變換，令dq 坐標(biāo)系的q 軸與Uga重合，然后控制Ua在q 軸上的分量為0，即可實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電壓對(duì)電網(wǎng)電壓的追蹤。

4 仿真分析

為驗(yàn)證本文提出的同步逆變器并/離網(wǎng)切換策略的有效性，在Matlab/Simulink 仿真平臺(tái)中搭建了由1 臺(tái)采用同步逆變器技術(shù)的20kW 風(fēng)力分布式發(fā)電單元DG1、2個(gè)本地負(fù)荷（負(fù)荷 1：5kW/0Var、負(fù)荷 2：10kW/2kVar）的微電網(wǎng)。電路的仿真參數(shù)如下：直流母線電壓700V，交流側(cè)額定電壓311V，微電網(wǎng)額定頻率50Hz，并網(wǎng)電感450μH，并網(wǎng)電阻 0.1Ω，同步逆變器濾波電容 1μF，濾波電感 25μH。按如下時(shí)序仿真：0-0.5s 時(shí)，DG1 以 10kW/0Var 指令功率開(kāi)機(jī)運(yùn)行；0.5-1s 時(shí)DG1 功率指令升至15kW/2kVar 運(yùn)行；1.2s 時(shí)引入并/離網(wǎng)切換控制；2s 時(shí)微電網(wǎng)由并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換到孤島模式；2.5s 時(shí)結(jié)束仿真。仿真結(jié)果如圖2 所示。

由圖2 可得，0-0.5s 時(shí)微電網(wǎng)運(yùn)行于離網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，同步逆變器能根據(jù)系統(tǒng)中所帶負(fù)荷特性及自身阻尼系數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出得有功、無(wú)功功率，改切負(fù)荷為變系統(tǒng)頻率滿足系統(tǒng)中負(fù)荷對(duì)電能的需求。0.5s-1.2s 時(shí)，同步逆變器輸出功率滿足系統(tǒng)負(fù)荷實(shí)際需求，其可以很好的追蹤設(shè)定的指令功率，系統(tǒng)頻率從49.9Hz 經(jīng)0.1s 的過(guò)渡時(shí)間恢復(fù)至50Hz。1.2s 時(shí)同步逆變器引入并/離網(wǎng)切換控制，微電網(wǎng)由孤島工作狀態(tài)向并網(wǎng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變，觀察圖2（a）可以看出，系統(tǒng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)，最大上升為50.3Hz，究其原因可由圖2（c）得出，在PCC 耦合點(diǎn)側(cè)，電網(wǎng)的電壓相位超前微電網(wǎng)的電壓相位，同步逆變器需增大系統(tǒng)運(yùn)行的角速度，以追趕電網(wǎng)電壓相位，經(jīng)過(guò)半個(gè)周期的調(diào)整，兩電壓相位、頻率重合。在1.35s 時(shí)，PCC 耦合點(diǎn)閉合，微電網(wǎng)由孤島運(yùn)行模式轉(zhuǎn)為并網(wǎng)運(yùn)行模式實(shí)現(xiàn)了并/離網(wǎng)無(wú)縫切換。

5 研究結(jié)論

圖2 離-并網(wǎng)切換仿真波形

本文針對(duì)同步逆變器在微電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。首先針對(duì)同步逆變器的結(jié)構(gòu)、控制原理進(jìn)行了分析，得出了同步逆變器具有與同步機(jī)相比擬的外特性，在微電網(wǎng)孤島模式時(shí)可以根據(jù)負(fù)荷特性自身阻尼系數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)向微電網(wǎng)輸出的有功、無(wú)功功率為系統(tǒng)提供電壓和頻率的支撐。隨后將并網(wǎng)逆變器可以看作為一臺(tái)獨(dú)立的電壓源，根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行模式的切換提出了同步逆變器的并/離網(wǎng)切換策略，由仿真實(shí)驗(yàn)可知提出的切換策略可以保證同步逆變器追蹤電網(wǎng)的電壓幅值和相位，減少并網(wǎng)電流對(duì)微電網(wǎng)的沖擊。