基于虛擬同步機(jī)的地鐵能量回饋雙向變流器控制研究

摘要 該文研究了基于虛擬同步機(jī)的地鐵能量回饋雙向變流器控制技術(shù)，分析逆變回饋型方案的局限性，探討了整流與逆變裝置的高成本問題以及諧波對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。該文結(jié)合電壓和頻率的下垂控制，構(gòu)建了Synchronverter虛擬同步機(jī)控制模型，提出了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自適應(yīng)控制策略，并搭建了小功率試驗(yàn)平臺(tái)以驗(yàn)證雙向變流器的性能。能量回饋雙向變流器的性能評(píng)估，分析了控制參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能的影響，并評(píng)估了系統(tǒng)在整流牽引和逆變回饋兩種模態(tài)下的運(yùn)行效果。

關(guān)鍵詞 虛擬同步機(jī)；地鐵能量回饋；雙向變流器；控制技術(shù)；電網(wǎng)穩(wěn)定性

中圖分類號(hào) U231.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）23-0004-03

0 引言

傳統(tǒng)的逆變回饋型方案存在控制方式單一、成本高以及諧波影響電網(wǎng)質(zhì)量等局限性，虛擬同步機(jī)技術(shù)能夠用先進(jìn)的控制算法實(shí)現(xiàn)無功調(diào)壓控制，設(shè)計(jì)虛擬慣性以增強(qiáng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。該研究聚焦于基于虛擬同步機(jī)的地鐵能量回饋雙向變流器控制策略，對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出結(jié)合電壓和頻率下垂控制的方法，構(gòu)建Synchronverter虛擬同步機(jī)控制模型，并探討轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自適應(yīng)控制策略。

1 逆變回饋型方案的局限性

1.1 控制方式單一，易受功率波動(dòng)及電網(wǎng)異常情況影響

傳統(tǒng)逆變回饋型方案主要采用恒定電流控制，當(dāng)負(fù)載發(fā)生突發(fā)變化時(shí)，恒定電流控制難以快速響應(yīng)，這將導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能顯著下降，影響整體電能質(zhì)量。具體來說，當(dāng)?shù)罔F列車在加速、減速或?？繒r(shí)，所需功率的變化頻繁且劇烈。若控制系統(tǒng)無法實(shí)時(shí)調(diào)整輸出，可能導(dǎo)致電網(wǎng)中的功率因數(shù)下降，從而影響供電的穩(wěn)定性，當(dāng)列車急劇加速時(shí)，瞬時(shí)功率需求大幅增加，會(huì)導(dǎo)致電流短時(shí)間內(nèi)飆升，超過了電網(wǎng)的承載能力，此時(shí)系統(tǒng)可能出現(xiàn)過載保護(hù)，進(jìn)而導(dǎo)致供電中斷，該過程中的功率波動(dòng)可以用以下公式描述：

（1）

式中：P——功率（W），I——電流（A），V——電壓（V）。電網(wǎng)電壓降低或電流波動(dòng)較大的情況下，功率輸出將變得不穩(wěn)定，根據(jù)功率公式，當(dāng)電流I（A）和電壓V（V）出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，功率P（W）將受到直接影響，這種變化在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為：

（2）

式中：——功率變化量（W），——電壓變化量（V），（ A ）——電流的變化量，——相位角變化帶來的影響。當(dāng)電流或電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，功率的波動(dòng)幅度將顯著增加。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)異常時(shí)，電壓跌落、頻率波動(dòng)或設(shè)備故障，傳統(tǒng)控制方式難以快速適應(yīng)，可能導(dǎo)致電網(wǎng)穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，在電壓突降至80%時(shí)，系統(tǒng)將經(jīng)歷過度的電流波動(dòng)，可能引發(fā)保護(hù)性停運(yùn)，影響其他依賴于同一電網(wǎng)的設(shè)備正常運(yùn)行。該系列連鎖反應(yīng)可能導(dǎo)致電力供應(yīng)不穩(wěn)定，增加設(shè)備的損壞風(fēng)險(xiǎn)，最終影響整體運(yùn)營(yíng)的可靠性，頻繁電網(wǎng)波動(dòng)，導(dǎo)致運(yùn)行設(shè)備穩(wěn)定性受損，用戶體驗(yàn)降低。地鐵列車行駛過程中的停運(yùn)或減速頻出，乘客不滿升高，公共交通效率與形象遭受影響，經(jīng)濟(jì)損失和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本上升由于頻繁電網(wǎng)故障和停電帶來的后果，增加了運(yùn)營(yíng)公司壓力[1]。

1.2 需要整流與逆變兩套裝置，成本較高

回饋型方案的主要缺陷體現(xiàn)在必須配置整流與逆變兩套裝置，系統(tǒng)復(fù)雜性顯著提高，投資成本整體加劇。借助于交流電向直流電轉(zhuǎn)換的整流裝置，以及將直流電再向交流電轉(zhuǎn)換的逆變裝置實(shí)現(xiàn)。涉及功率半導(dǎo)體器件、電感、電容等元器件在過程中不止價(jià)格昂貴，也占據(jù)大量空間，安裝和維護(hù)難度增加。以某地鐵項(xiàng)目為例，整流器的采購成本約為50萬元，逆變器的成本約為70萬元，相關(guān)的控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備也需要額外的30萬元，使得傳統(tǒng)逆變回饋方案的總成本達(dá)到150萬元。采用雙向變流器或虛擬同步機(jī)方案的成本明顯更低，后者分別為110萬元和95萬元，方案成本數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1所示采用虛擬同步機(jī)技術(shù)的方案能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)，提高整體的運(yùn)行效率，這一成本的降低，有助于推動(dòng)地鐵能量回饋技術(shù)的廣泛應(yīng)用，并為項(xiàng)目的可持續(xù)發(fā)展提供了有力支持。

1.3 與交流電網(wǎng)進(jìn)行能量交換時(shí)，諧波會(huì)降低電網(wǎng)電能質(zhì)量

非線性負(fù)載產(chǎn)出的電流或電壓波形失真呈現(xiàn)為諧波，頻率處于電網(wǎng)基本頻率的整數(shù)倍?；仞佇湍孀兎桨冈谂c交流電網(wǎng)能量交換過程中，由整流和逆變環(huán)節(jié)的非線性特性而常帶來高次諧波生成，這些諧波成分使得電網(wǎng)的電能質(zhì)量下降，有可能觸發(fā)一系列電力系統(tǒng)問題，諧波電流可以用以下公式表示：

（3）

式中：Ih——第h次諧波電流（A），I1——基波電流（A），h——諧波次數(shù)，n——衰減指數(shù)。高次諧波的存在會(huì)引起電力設(shè)備的討熱，導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)作，甚至造成電能損耗。該現(xiàn)象在地鐵系統(tǒng)中尤為突出，因?yàn)榈罔F在運(yùn)行中頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)，產(chǎn)生的功率波動(dòng)和諧波的增加不僅會(huì)影響電力設(shè)備的運(yùn)行壽命，還可能對(duì)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成威脅，降低諧波影響，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量，是當(dāng)前電力系統(tǒng)亟須解決的重要問題。

1.2 虛擬同步機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

虛擬同步機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其能夠利用控制算法，使系統(tǒng)具備無功調(diào)壓的特性，調(diào)節(jié)無功功率，確保電壓在負(fù)載波動(dòng)情況下保持穩(wěn)定。該無功調(diào)壓功能是通過模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的行為來實(shí)現(xiàn)的，確保系統(tǒng)在電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)能夠有效支持電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性，此外虛擬同步機(jī)可以基于電網(wǎng)特性設(shè)計(jì)虛擬慣性，虛擬慣性是對(duì)物理系統(tǒng)中慣性特性的模擬，使得系統(tǒng)在功率或頻率突變時(shí)能夠像傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)一樣緩沖變化。虛擬慣性設(shè)計(jì)的核心是控制算法實(shí)時(shí)分析電網(wǎng)頻率的變化情況，根據(jù)電網(wǎng)需求動(dòng)態(tài)調(diào)整功率輸出。電網(wǎng)頻率急劇變化時(shí)，虛擬同步機(jī)能快速響應(yīng)，提供或吸收瞬時(shí)無功功率，降低頻率波動(dòng)幅度，虛擬慣性可以反饋控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率偏差的快速響應(yīng)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

2 解決問題

2.1 結(jié)合電壓和頻率下垂控制，得到Synchronverter虛擬同步機(jī)控制模型

Synchronverter技術(shù)作為一種新興的虛擬同步機(jī)控制方案，通過結(jié)合電壓和頻率下垂控制，能夠有效提升系統(tǒng)對(duì)功率波動(dòng)的響應(yīng)能力。在該模型中，系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓和頻率的變化，采用下垂控制策略動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)的靈活適應(yīng)。具體而言，電壓和頻率的下垂控制可以用以下數(shù)學(xué)模型表示：

（4）

式中：Pout——輸出功率（W），Pref——參考功率（W），Vnom——系統(tǒng)的額定電壓（V），fnom——系統(tǒng)的額定頻率（Hz），Vmeas——實(shí)際測(cè)量的電壓（V），fmeas——實(shí)際測(cè)量的頻率（V），kV（W/V）和kf（W/Hz）為下垂控制增益。該模型使得虛擬同步機(jī)能夠根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整輸出功率，確保系統(tǒng)在功率波動(dòng)或電網(wǎng)異常情況下的穩(wěn)定運(yùn)行。通過構(gòu)建該模型，Synchronverter能夠有效模擬電力系統(tǒng)中的慣性特性，使系統(tǒng)在面對(duì)負(fù)荷變化時(shí)具備快速響應(yīng)能力。

2.2 分析固定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的局限性，提出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自適應(yīng)控制策略

固定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的局限性在于無法適應(yīng)不同工況下的運(yùn)行需求，實(shí)際應(yīng)用中，地鐵系統(tǒng)的負(fù)載和運(yùn)行狀態(tài)變化多樣，固定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量往往無法滿足瞬態(tài)條件下的功率需求。導(dǎo)致系統(tǒng)在遇到突發(fā)負(fù)載變化時(shí)，無法提供足夠的慣性支持，從而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。為了解決該問題，提出了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自適應(yīng)控制策略，該策略實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)負(fù)載變化和電網(wǎng)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值?？刂扑惴ǜ鶕?jù)實(shí)時(shí)測(cè)得的負(fù)載變化速率和電網(wǎng)頻率變化率，運(yùn)用自適應(yīng)算法計(jì)算所需的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以便在不同運(yùn)行條件下優(yōu)化系統(tǒng)性能，該策略的數(shù)學(xué)模型可以表示為：

（5）

式中：Jadapt——自適應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2），Jnom——額定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2），kload——負(fù)載變化敏感系數(shù)（kg·m2/W），——負(fù)載變化量（W）。

2.3 搭建小功率試驗(yàn)平臺(tái)，完成雙向變流器相關(guān)試驗(yàn)

為驗(yàn)證上述控制模型和自適應(yīng)控制策略的有效性，該研究搭建了一個(gè)小功率試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了雙向變流器相關(guān)試驗(yàn)。該試驗(yàn)平臺(tái)主要由雙向變流器、虛擬同步機(jī)控制器、負(fù)載模擬器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，試驗(yàn)中通過改變負(fù)載模擬器的設(shè)置，模擬了不同工況下的負(fù)載變化，以測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)能力和穩(wěn)定性。試驗(yàn)的具體過程中，試驗(yàn)準(zhǔn)備安裝雙向變流器與虛擬同步機(jī)控制器，連接負(fù)載模擬器，確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正常運(yùn)行。數(shù)據(jù)采集是在不同負(fù)載條件下進(jìn)行試驗(yàn)，記錄系統(tǒng)電壓、電流、功率和頻率等參數(shù)，通過調(diào)整負(fù)載模擬器的負(fù)載水平，模擬不同的工況。試驗(yàn)記錄在每個(gè)負(fù)載狀態(tài)下，記錄系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的電壓、功率及頻率，計(jì)算控制策略實(shí)施前后的性能變化[2]。試驗(yàn)結(jié)果表明，在應(yīng)用自適應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制策略后，系統(tǒng)在面對(duì)突發(fā)負(fù)載變化時(shí)，其頻率波動(dòng)幅度顯著降低，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

如表2所示，采用自適應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制策略后，系統(tǒng)在同樣負(fù)載變化情況下，頻率波動(dòng)幅度明顯減小，電壓穩(wěn)定性顯著提升。該結(jié)果驗(yàn)證了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自適應(yīng)控制策略在提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性方面的有效性，試驗(yàn)結(jié)果顯示：自適應(yīng)控制能夠在不同負(fù)載條件下，保持良好的電能質(zhì)量，滿足地鐵系統(tǒng)的運(yùn)行要求。

3 地鐵能量回饋雙向變流器性能評(píng)估與優(yōu)化

3.1 控制參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能的影響

調(diào)控參數(shù)設(shè)置中，下垂控制增益、逆變器的開關(guān)頻率以及控制算法的響應(yīng)時(shí)間等屬于常見設(shè)定，根據(jù)這些參數(shù)出現(xiàn)的變化，系統(tǒng)便會(huì)相應(yīng)地改動(dòng)其響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。對(duì)于下垂控制增益來說，加大增益可以使得系統(tǒng)對(duì)電壓和頻率波動(dòng)產(chǎn)生更敏感的反饋，這樣系統(tǒng)就能在短時(shí)間內(nèi)快速調(diào)整輸出功率并保持電網(wǎng)穩(wěn)定。但是過高的增益可能在負(fù)載發(fā)生改變時(shí)引起過度振蕩從而導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)性能遭受影響，若下垂增益設(shè)置過低，雖然能夠提高穩(wěn)態(tài)性能，但系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間將變得較慢，難以快速適應(yīng)突發(fā)負(fù)載變化，造成功率因數(shù)下降和電能質(zhì)量下降?？刂茀?shù)的調(diào)整還會(huì)影響系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，逆變器能夠更精確地調(diào)節(jié)輸出波形，改善電能質(zhì)量。過高的開關(guān)頻率會(huì)增加開關(guān)損耗，影響系統(tǒng)的能效[3]。

3.2 評(píng)估系統(tǒng)在整流牽引和逆變回饋兩種模態(tài)下的運(yùn)行效果

地鐵運(yùn)行過程中，雙向變流器需在整流牽引模式和逆變回饋模式之間切換，整流模式下，變流器將電能從電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為直流電供給牽引負(fù)載；逆變模式下，變流器將制動(dòng)過程中產(chǎn)生的多余電能反饋到電網(wǎng)。不同負(fù)載條件下，系統(tǒng)表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的電壓輸出和功率因數(shù)，適合于大負(fù)載下的運(yùn)行，整流模式下，系統(tǒng)的輸出功率和電流特性如表3所示。

整流模式下，系統(tǒng)的輸出電壓保持在600 V，功率因數(shù)在0.92～0.95之間波動(dòng)，顯示出良好的負(fù)載適應(yīng)能力與電能質(zhì)量。在逆變回饋模式下，系統(tǒng)需要處理來自電機(jī)制動(dòng)時(shí)回饋的電能，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，逆變模式下的運(yùn)行效果如表4所示。在該模式下，系統(tǒng)將回饋能量有效地傳輸至電網(wǎng)，并保持電壓與頻率的穩(wěn)定。

逆變模式下，系統(tǒng)同樣維持600 V的輸出電壓，功率因數(shù)在0.96～0.98之間，顯示出較高的能效和電能質(zhì)量。與整流模式相比，逆變模式的效率略高，表明在制動(dòng)能量回饋方面，系統(tǒng)的性能更為優(yōu)越，對(duì)整流牽引和逆變回饋兩種模態(tài)的比較，能夠得出在不同工況下系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，提供了優(yōu)化控制策略和設(shè)備配置的基礎(chǔ)[4]。

4 結(jié)語

該文深入研究了基于虛擬同步機(jī)的地鐵能量回饋雙向變流器后，結(jié)論乃結(jié)合電壓和頻率下垂控制顯著提升了電網(wǎng)穩(wěn)定性與響應(yīng)能力。如優(yōu)化下垂增益調(diào)整和自適應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量使用等控制參數(shù)，系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)條件下性能得以明顯改善，頻率波動(dòng)降低，并且電能質(zhì)量有所提升。而在整流牽引與逆變回饋兩種模式下，雙向變流器展示出優(yōu)異的電壓穩(wěn)定性與功率因數(shù)，在高效能量管理中起到重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1]陳建國(guó)，肖文靜，王多平，等.基于RTDS的高壓大容量雙向變流器控制器硬件在環(huán)仿真研究[J].東方電氣評(píng)論， 2024（5）：75-78.

[2]張開宇，鄭佳雯，時(shí)珊珊，等.軌道交通柔性交流牽引供電系統(tǒng)無源一致性穩(wěn)定控制方法[J].智慧電力， 2024（7）：119-127.

[3]王哲昌.基于改進(jìn)果蠅算法的城軌雙向變流器控制研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)， 2024.

[4]聶曉華，占美娟，劉一丹，等.單相并網(wǎng)儲(chǔ)能雙向變流器線性時(shí)間周期模型的穩(wěn)定性分析[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版）， 2024（2）：193-202.