吳軒欽譚國(guó)俊何鳳有李浩

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院徐州221008）

變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)

吳軒欽譚國(guó)俊何鳳有李浩

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院徐州221008）

網(wǎng)側(cè)功率變換器是變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的重要接口，隨著變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滲透率的不斷提高，網(wǎng)側(cè)功率變換器對(duì)配電網(wǎng)中的影響越發(fā)突出。借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，形成電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方案，設(shè)計(jì)具有變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自身特性的虛擬調(diào)速器和虛擬勵(lì)磁控制器，保證電網(wǎng)電流的低諧波畸變的同時(shí)，滿(mǎn)足負(fù)荷功率需求，并具有響應(yīng)電網(wǎng)電壓/頻率異常事件功能，可在一定程度上提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。同時(shí)模擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高電網(wǎng)接口的慣性和阻尼，降低變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響，提升電網(wǎng)對(duì)大規(guī)模變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接入的適應(yīng)性。為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)接口的柔性起動(dòng)，提出一種虛擬同步預(yù)并網(wǎng)控制方法，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)接口柔性離/并網(wǎng)切換，消除起動(dòng)沖擊電流。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了所提控制方案的有效性。

變頻驅(qū)動(dòng)電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機(jī)柔性啟動(dòng)

3　引言

隨著變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用的迅猛發(fā)展，其對(duì)配電網(wǎng)的容量要求和電能質(zhì)量的影響越發(fā)突出［1，2］。作為發(fā)（用）電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的橋梁，電網(wǎng)接口功率變換器拓?fù)浼捌淇刂撇呗缘膬?yōu)劣直接決定了系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式和性能。首先，電網(wǎng)接口的電能形式變換可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)注入諧波和無(wú)功，甚至造成無(wú)功沖擊，影響電網(wǎng)質(zhì)量［3-5］。因此需要能與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互動(dòng)的友好電能轉(zhuǎn)換接口。其次，電網(wǎng)接口需具備良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以滿(mǎn)足負(fù)荷功率需求，并具有一定的慣性和阻尼，以減輕負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響，同時(shí)避免系統(tǒng)在負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程中失穩(wěn)，提升變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

各國(guó)學(xué)者對(duì)如何提高電網(wǎng)接口動(dòng)、靜態(tài)性能進(jìn)行了深入研究。目前，主要有間接電流控制［6］、直接電流控制［7］、直接功率控制（Direct Power Control，DPC）［8-10］以及以模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control，MPC）［11-13］和反饋線(xiàn)性化控制（Feedback Linearization Control，F(xiàn)LC）［14，15］為代表的基于現(xiàn)代控制理論的控制策略［16］。間接電流控制存在參數(shù)魯棒性差、動(dòng)態(tài)過(guò)程電流變化劇烈以及穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)；直接功率控制主要存在開(kāi)關(guān)頻率不固定的缺陷以及無(wú)功功率波動(dòng)問(wèn)題；基于現(xiàn)代控制理論的控制策略存在控制算法過(guò)于復(fù)雜的問(wèn)題。目前，基于矢量定向的直接電流控制策略是一種較成熟且應(yīng)用最廣泛的控制方式［5，17，18］。

縱觀(guān)上述控制策略，傳統(tǒng)的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口控制方案尚不滿(mǎn)足“智能電網(wǎng)”要求。以電力電子器件為基礎(chǔ)的“背靠背（Back-to-back，B2B）”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖能快速響應(yīng)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)荷功率需求，但其不具備慣性和阻尼特性，易導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)不穩(wěn)定，并網(wǎng)模式下電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性變差，甚至伴隨電流沖擊。同時(shí)其不具備配電網(wǎng)的同步機(jī)制特性，缺乏參與配電網(wǎng)運(yùn)行管理的主動(dòng)性。借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的電源（同步發(fā)電機(jī)）、電網(wǎng)、負(fù)荷（同步電動(dòng)機(jī)）具有頻率惟一特性，依靠三者之間的同步機(jī)制協(xié)調(diào)抵御外界干擾，具備響應(yīng)電網(wǎng)電壓、頻率、有功、無(wú)功異常動(dòng)作能力，自主參與電網(wǎng)的運(yùn)行和管理機(jī)制。因此，若能在未來(lái)配電網(wǎng)中的眾多變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口中引入同步機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的自治運(yùn)行和主動(dòng)管理。

由于虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)具有電網(wǎng)友好互動(dòng)特性，該技術(shù)目前已成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)［19］最早提出虛擬同步發(fā)電機(jī)理念［19］，所提出的“VSG（Virtual Synchronous Generator）”方案可模擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量及一次調(diào)頻特性，增加系統(tǒng)的慣性。文獻(xiàn)［20］所提出的虛擬同步發(fā)電機(jī)（Virtual Synchronous Machine，VISMA）概念通過(guò)電網(wǎng)接入點(diǎn)電壓、濾波阻抗、勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)信息獲取逆變器輸出電流指令，實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)特性的模擬。文獻(xiàn)［21］所提出的同步逆變器（Synchronverter）將輸出濾波電感、輸出線(xiàn)路阻抗等效為定子同步電抗，通過(guò)跟蹤發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)指令，模擬同步發(fā)電機(jī)的電磁機(jī)械特性及其調(diào)頻、調(diào)壓特性。文獻(xiàn)［22］提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)，文獻(xiàn)［23］提出了虛擬慣性頻率控制等。雖然現(xiàn)有部分文獻(xiàn)針對(duì)分布式并網(wǎng)逆變器采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行了研究，但針對(duì)交流電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口相關(guān)的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方案鮮有報(bào)道。借鑒傳統(tǒng)電網(wǎng)同步控制機(jī)制，通過(guò)引入虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)將變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口等效控制為同步發(fā)電機(jī)，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電能變換接口與電網(wǎng)間的友好交互，并具有響應(yīng)負(fù)荷功率需求功能。

本文提出一種變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略，可使得接口與電網(wǎng)之間的交互電流畸變率較小，且具有為電網(wǎng)提供必要的電壓、頻率支撐功能，同時(shí)良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性可維持恒定的母線(xiàn)電壓，提高配電網(wǎng)與變頻系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。此外，將交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等效為同步發(fā)電機(jī)負(fù)荷，以滿(mǎn)足負(fù)荷功率需求。為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)接口的柔性離/并網(wǎng)切換，提出了一種虛擬同步預(yù)并網(wǎng)控制方法，解決電網(wǎng)接口與電網(wǎng)不同步起動(dòng)引發(fā)的電流沖擊問(wèn)題。仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提控制方案的正確性和有效性。

3　電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機(jī)模型分析

1.1電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機(jī)引入

本文以如圖1所示的基于B2B三電平電壓型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象。網(wǎng)側(cè)電能變換接口采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略。因此，從公共耦合點(diǎn)（Point of Common Coupling，PCC）看進(jìn)去，整個(gè)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可等效為同步發(fā)電機(jī)負(fù)荷，自適應(yīng)響應(yīng)電網(wǎng)頻率、電壓擾動(dòng)，并為電網(wǎng)提供必要的慣性和阻尼。圖1所示的電網(wǎng)接口網(wǎng)絡(luò)電壓方程為［3-5］

圖1　Back-to-back三電平變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Fig.1 The back-to-back three-level inverter drive system

1.2電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機(jī)模型

將圖1所示的電網(wǎng)接口等效為虛擬同步發(fā)電機(jī)，假定同步發(fā)電機(jī)為如圖2所示的一對(duì)極理想隱極式發(fā)電機(jī)，且不考慮磁飽和、鐵損、渦流等效應(yīng)。正方向按發(fā)電機(jī)慣例定義。為簡(jiǎn)化分析，發(fā)電機(jī)模型采用經(jīng)典的二階暫態(tài)方程表述，同時(shí)所有量均折算到定子側(cè)。定子磁鏈方程為［5］

式中：ψs為定子磁鏈，分別為定、轉(zhuǎn)子電流，為定子電感，為定、轉(zhuǎn)子互感。電壓方程為［5］

式中：es為同步發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，us為定子端口電壓，為定子電阻，

圖2　電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機(jī)等效模型Fig.2 The virtual synchronous generator equivalent model of grid interface

對(duì)比方程（1）和方程（3）可發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)接口網(wǎng)絡(luò)電壓方程與同步發(fā)電機(jī)定子電壓方程極為相似。將圖1所示的電網(wǎng)接口輸出端電壓e、PCC點(diǎn)電壓u及電網(wǎng)接口電流i等效為同步發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)es、定子端電壓us及定子電流is，濾波器和線(xiàn)路總電感L與線(xiàn)路雜散電阻R等效為同步發(fā)電機(jī)定子電感Ls與定子電阻Rs，電網(wǎng)接口直流側(cè)等效為同步發(fā)電機(jī)提供機(jī)械功率的原動(dòng)機(jī)。

圖2為電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機(jī)等效模型。由圖2可知，在模型等效過(guò)程中，虛擬感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（電網(wǎng)接口輸出端電壓）e為關(guān)鍵變量。根據(jù)電機(jī)學(xué)理論可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為

同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程可表述為

式中：Tm、Te分別為同步發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩；ω、ωg分別為同步發(fā)電機(jī)電氣角速度和電網(wǎng)同步角速度；δ為同步發(fā)電機(jī)功角；J、D分別為同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)。

同時(shí)，由式（6）可知，由于轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和阻尼系數(shù)D的存在使得變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口表現(xiàn)出具有對(duì)電網(wǎng)電壓、頻率擾動(dòng)以及負(fù)荷波動(dòng)過(guò)程中機(jī)械慣性和阻尼功率振蕩的能力。

3　電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機(jī)控制

如圖1所示的B2B變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)接口主動(dòng)地根據(jù)電網(wǎng)的頻率、電壓調(diào)節(jié)其攝取的電網(wǎng)有功和無(wú)功功率，以達(dá)到與電網(wǎng)主動(dòng)交互的目的，同時(shí)滿(mǎn)足負(fù)荷功率需求。

2.1虛擬調(diào)速器

借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)頻率-有功功率調(diào)節(jié)原理設(shè)計(jì)如圖3所示的電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機(jī)調(diào)速器。通過(guò)對(duì)虛擬原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)B2B變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口有功功率指令的調(diào)節(jié)。

圖3　虛擬調(diào)速器Fig.3 The virtual speed controller

如圖3所示，虛擬原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm=Tr+Tω，包含負(fù)荷需求轉(zhuǎn)矩Tr和頻率偏差轉(zhuǎn)矩Tω。其中，由負(fù)荷轉(zhuǎn)矩需求單元調(diào)節(jié)，pr包含虛擬同步發(fā)電機(jī)直流母線(xiàn)電壓比例積分（Proportion Integration，PI）調(diào)節(jié)器輸出和為提升電網(wǎng)接口對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程有功功率的響應(yīng)速度而引入的負(fù)荷實(shí)時(shí)功率需求值pmf。Tr可表述為

式中kdcP、kdcI分別為虛擬同步發(fā)電機(jī)直流母線(xiàn)電壓PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

頻率偏差轉(zhuǎn)矩Tω則根據(jù)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)頻率-功率下垂特性設(shè)計(jì)的頻率調(diào)節(jié)單元實(shí)現(xiàn)。采用比例調(diào)節(jié)器模擬下垂特性

式中：ω0為電網(wǎng)額定角頻率；kω為頻率響應(yīng)系數(shù)。圖3中頻率調(diào)節(jié)單元輸入變量dω為虛擬預(yù)并網(wǎng)相位偏差信號(hào)，將在第3節(jié)予以闡述。

2.2虛擬勵(lì)磁控制

傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)通過(guò)勵(lì)磁控制器來(lái)調(diào)節(jié)其無(wú)功輸出及發(fā)電機(jī)端口電壓。站在以虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)控制的電網(wǎng)接口來(lái)考慮，虛擬勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)地調(diào)節(jié)虛擬勵(lì)磁電流，使電網(wǎng)接口并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)能提供相應(yīng)的無(wú)功功率，同時(shí)能有效控制并穩(wěn)定端口電壓，以提高電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)此，設(shè)計(jì)了如圖4所示的包含無(wú)功調(diào)節(jié)單元、電壓調(diào)節(jié)單元及虛擬感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)調(diào)節(jié)單元的虛擬同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器。其中，無(wú)功調(diào)節(jié)單元引入比例調(diào)節(jié)器模擬傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)電壓-無(wú)功下垂特性，輸出為

式中：Qn為電網(wǎng)接口無(wú)功功率指令；Q為電網(wǎng)接口輸出瞬時(shí)無(wú)功功率；kQ為無(wú)功功率調(diào)節(jié)系數(shù)。其中，Q可依據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論計(jì)算

式中ugα、ugβ和iα、iβ分別為電網(wǎng)接口PCC點(diǎn)電壓和電流在αβ坐標(biāo)軸上的分量。

圖4　虛擬勵(lì)磁控制器Fig.4 The virtual excitation controller

為穩(wěn)定虛擬同步發(fā)電機(jī)端電壓，引入等效于同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)效果的電壓調(diào)節(jié)單元，其輸出為

式中：Un為電網(wǎng)接口端電壓期望值；U為電網(wǎng)接口端電壓實(shí)際值；kU為電壓調(diào)節(jié)系數(shù)。同時(shí)，在電壓調(diào)節(jié)單元輸入變量中的d u為虛擬預(yù)并網(wǎng)電壓幅值偏差信號(hào)。

由無(wú)功調(diào)節(jié)單元與電壓調(diào)節(jié)單元共同作用得到的電壓偏差輸出指令ΔE=ΔEQ+ΔEU送入PI調(diào)節(jié)器以產(chǎn)生虛擬勵(lì)磁電流偏差信號(hào)Δif為

式中kifP、kifI分別為虛擬勵(lì)磁電流PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。本文在此引入比例-積分控制策略可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)接口并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)無(wú)功功率及端口電壓的穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差跟蹤，抑制動(dòng)態(tài)過(guò)程無(wú)功響應(yīng)沖擊。同時(shí)用以實(shí)現(xiàn)第3節(jié)所述的虛擬預(yù)并網(wǎng)階段端口電壓幅值無(wú)靜差跟蹤PCC點(diǎn)電壓。

利用勵(lì)磁電流偏差信號(hào)Δif及虛擬感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)單元模擬式（5）所示的同步發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)期望幅值Er與勵(lì)磁電流if之間的磁電關(guān)系

式中：ifn為虛擬勵(lì)磁電流額定值；kE為勵(lì)磁調(diào)節(jié)系數(shù)。

根據(jù)上述分析可知，電網(wǎng)接口采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方案在無(wú)功功率調(diào)節(jié)方面完全不同于傳統(tǒng)控制策略。其在保證無(wú)功功率跟蹤的同時(shí)，還能參與配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)，根據(jù)電壓的偏差為其接入的電網(wǎng)提供必要的無(wú)功支撐。

2.3虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)

借鑒傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)相關(guān)控制理論，建立如上所述的電網(wǎng)接口虛擬調(diào)速器可滿(mǎn)足變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)荷有功功率需求，同時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行頻率異常事件；虛擬勵(lì)磁控制可準(zhǔn)確跟蹤無(wú)功功率、電壓指令，同時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行電壓異常事件。

根據(jù)式（3）、式（5）、式（6）構(gòu)建如圖5所示的電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機(jī)電磁和機(jī)械模型，其中根據(jù)瞬時(shí)功率理論折算出虛擬同步發(fā)電機(jī)瞬時(shí)有功功率，進(jìn)而可將虛擬電磁轉(zhuǎn)矩Te表述為

根據(jù)機(jī)械模型可得虛擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角θ為

式中Δω為角頻率偏差信號(hào)。

圖5　虛擬同步發(fā)電機(jī)模型Fig.5 The virtual synchronous generatormodel

通過(guò)虛擬勵(lì)磁控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)得到的暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)期望值Er和測(cè)量獲得的PCC點(diǎn)電壓ug，根據(jù)式（3）所示的電磁模型可得虛擬同步發(fā)電機(jī)電流期望值ir，并作為電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的指令值。為降低接口與電網(wǎng)之間的交互電流i總諧波畸變率，以滿(mǎn)足電網(wǎng)友好的功能，電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器無(wú)靜差控制策略，并以虛擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角θ作為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系定向角，可保證并網(wǎng)運(yùn)行電流的精確跟蹤，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)交互電流的低諧波、高功率因數(shù)運(yùn)行。

3　柔性離/并網(wǎng)切換控制

電網(wǎng)接口通常具有離網(wǎng)和并網(wǎng)雙運(yùn)行模式特性。針對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電網(wǎng)接口無(wú)需具備為離網(wǎng)運(yùn)行模式下的局部電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐功能，因此只需研究電網(wǎng)接口離/并網(wǎng)切換過(guò)程特性。通常情況下，變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口離/并網(wǎng)切換過(guò)程為：將如圖1所示的PCC點(diǎn)靜態(tài)開(kāi)關(guān)閉合，進(jìn)入直流側(cè)支撐電容預(yù)充電階段，電網(wǎng)接口PWM脈沖處于封鎖狀態(tài)，在此過(guò)程中依靠預(yù)充電阻抑制電流沖擊。預(yù)充結(jié)束后，待電網(wǎng)接口收到起動(dòng)信號(hào)，開(kāi)放PWM脈沖，進(jìn)入真正并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

在上述離/并網(wǎng)切換過(guò)程中，基于虛擬同步發(fā)電機(jī)控制的電網(wǎng)接口處于動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程中，由于電壓和頻率的調(diào)節(jié)作用，其運(yùn)行電壓幅值、相位與電網(wǎng)電壓之間可能存在偏差。因此電網(wǎng)接口若在不合時(shí)宜時(shí)刻起動(dòng)將導(dǎo)致PCC點(diǎn)兩側(cè)電壓存在較大的瞬時(shí)值偏差，可能會(huì)引起過(guò)大的沖擊電流，導(dǎo)致電壓波形畸變，惡化電能質(zhì)量，甚至引發(fā)電網(wǎng)接口過(guò)電流保護(hù)。因此需尋求一種有效地?zé)o縫切換控制技術(shù)。對(duì)此，本文提出一種虛擬預(yù)并網(wǎng)同步控制策略，實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口柔性離/并網(wǎng)切換控制。

如圖6所示，PCC點(diǎn)電壓ug、虛擬感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)er分別以ωg、ω角速度在空間旋轉(zhuǎn)，在虛擬預(yù)并網(wǎng)期間調(diào)節(jié)er幅值和相位，使其與ug重合，即可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)接口的柔性起動(dòng)。通過(guò)軟件鎖相環(huán)（Software Phaselocked Loop，SPLL）得到ug空間位置角θg，同時(shí)將d軸定向于ug矢量方向，可得通過(guò)控制er的d、q軸分量實(shí)現(xiàn)er對(duì)ug的同步跟蹤。根據(jù)上述原理可得如圖7所示的虛擬預(yù)并網(wǎng)同步控制器。由圖2及式（4）可知，er與ug相位差180°，相位跟蹤環(huán)節(jié)中取反號(hào)-1。

圖6　虛擬預(yù)并網(wǎng)同步控制矢量圖Fig.6 The virtual pre-network synchronization control vector

圖7　虛擬預(yù)并網(wǎng)同步控制器Fig.7 The virtual pre-network synchronization controller

結(jié)合圖3與圖4所述的虛擬調(diào)速器和虛擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，為實(shí)現(xiàn)虛擬感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值和頻率的跟蹤，虛擬調(diào)速器和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的輸入指令應(yīng)切換為虛擬預(yù)并網(wǎng)同步控制器的輸出指令d u、dω，開(kāi)關(guān)Sc閉合。預(yù)并網(wǎng)期間，電網(wǎng)接口處于脈沖封鎖狀態(tài)，圖3虛擬調(diào)速器負(fù)荷轉(zhuǎn)矩需求單元和圖4無(wú)功調(diào)節(jié)單元處于非使能狀態(tài)，待起動(dòng)時(shí)刻斷開(kāi)開(kāi)關(guān)Sc。綜上所述，具有柔性離/并網(wǎng)切換功能的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略如圖8所示。

圖8　變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機(jī)控制框圖Fig.8 The virtual synchronous generator control block of variable frequency drive system grid interface

3　仿真與實(shí)驗(yàn)分析

4.1仿真分析

為驗(yàn)證本文提出的B2B變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方案的有效性，搭建如圖8所示的仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，B2B系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表1。仿真開(kāi)始階段封鎖電網(wǎng)接口PWM脈沖，待預(yù)充過(guò)程結(jié)束后，在0～0.1 s期間虛擬預(yù)并網(wǎng)同步控制單元調(diào)節(jié)虛擬感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)er跟蹤PCC點(diǎn)電壓ug，仿真結(jié)果如圖9所示。在此期間，虛擬調(diào)速器、虛擬勵(lì)磁控制器僅投入頻率調(diào)節(jié)單元和電壓調(diào)節(jié)單元，由于電網(wǎng)接口PWM脈沖處于封鎖狀態(tài)，因此虛擬預(yù)并網(wǎng)同步控制單元中PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)可設(shè)置較大值，以加快跟蹤過(guò)程。從圖9可看出經(jīng)過(guò)短暫的調(diào)節(jié)過(guò)程，虛擬感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值、相位快速逼近電網(wǎng)電壓，er與ug在0.1 s之前即可實(shí)現(xiàn)完全重合。

表1　系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)Tab.1 Key parameters of the system

圖9　虛擬預(yù)并網(wǎng)同步控制仿真波形Fig.9 The simulation waveform of virtual pre-network synchronization control

在0.3 s時(shí)，直流側(cè)母線(xiàn)接入50Ω電阻模擬變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)突加負(fù)荷工況，0.45 s時(shí)切除電阻模擬突減負(fù)荷工況。從圖10a可看出，在負(fù)荷突變過(guò)程中，直流母線(xiàn)電壓udc出現(xiàn)波動(dòng)，在負(fù)荷功率前饋控制作用下，經(jīng)歷0.05 s的調(diào)節(jié)過(guò)程隨即恢復(fù)到700 V。圖10b為負(fù)荷突變過(guò)程電網(wǎng)接口電流，從圖中不難發(fā)現(xiàn)，在慣性和阻尼作用下，三相接口電流變化平緩，在滿(mǎn)足負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上，減輕了負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響。圖10c為虛擬同步發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Er和旋轉(zhuǎn)角速度ω的響應(yīng)情況。從圖中可知，動(dòng)態(tài)過(guò)程中Er和ω都具有明顯的慣性特征，保證電網(wǎng)接口的運(yùn)行更為穩(wěn)定、可靠。如圖2所示，本文采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略時(shí)電氣量的參考方向依據(jù)發(fā)電機(jī)慣例，實(shí)際的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)負(fù)荷，因此在突加負(fù)荷過(guò)程中，圖10d所示的虛擬同步發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)數(shù)，虛擬同步發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸取能量。當(dāng)負(fù)荷突加時(shí)，虛擬調(diào)速器調(diào)節(jié)機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm指令，在虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)控制作用下電磁轉(zhuǎn)矩Te跟隨變化，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)角速度ω降低，這與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)有功功率-頻率之間的下垂特性相一致。在此過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)在慣性和阻尼的作用下變化平緩，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)接口作為電網(wǎng)和負(fù)荷之間的橋梁具有靈活、柔性的慣性緩沖功能。為避免變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口對(duì)電網(wǎng)注入無(wú)功，設(shè)置無(wú)功功率指令Qn為0 var。由圖10e可看出，電網(wǎng)接口可快速響應(yīng)負(fù)荷有功功率需求，并跟隨無(wú)功功率指令，可向電網(wǎng)提供必要的功率支撐和無(wú)功補(bǔ)償。同時(shí)所提控制策略能為系統(tǒng)提供必要的阻尼和慣性，使得電網(wǎng)接口具有和同步發(fā)電機(jī)相媲美的控制性能。結(jié)合圖10c可知，電網(wǎng)接口的有功功率和無(wú)功功率之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)通過(guò)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Er和旋轉(zhuǎn)角速度ω之間實(shí)現(xiàn)耦合，這與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)具有一致性。

圖10　并網(wǎng)運(yùn)行仿真波形Fig.10 The simulation waveform in network operation

4.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用江蘇省電力傳動(dòng)與自動(dòng)控制研究中心變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)先進(jìn)并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)所提控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖11所示，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程與仿真相似。圖12為虛擬預(yù)并網(wǎng)控制階段虛擬感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與PCC點(diǎn)電壓實(shí)驗(yàn)波形。采用數(shù)字信號(hào)處理器時(shí)受字節(jié)影響，虛擬預(yù)并網(wǎng)同步控制單元中PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)在保證準(zhǔn)確跟蹤前提下可適當(dāng)減弱。從圖中可看出虛擬感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)era在0.1 s時(shí)間間隔內(nèi)即可完全跟蹤PCC點(diǎn)電壓uga。

圖11　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)圖Fig.11 The system diagram of experimental platform

圖12　虛擬感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)跟蹤實(shí)驗(yàn)波形Fig.12 The experimentalwaveform of virtual induction electromotive force tracking

在0.1 s時(shí)，虛擬并網(wǎng)過(guò)程結(jié)束，控制開(kāi)關(guān)Sc斷開(kāi)，同時(shí)開(kāi)放PWM脈沖。采用圖8所示的控制策略對(duì)電網(wǎng)接口進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中B2B電網(wǎng)接口空載運(yùn)行，即直流側(cè)電容后端未接入負(fù)荷。對(duì)比分析圖13a、圖13b可知，采用虛擬預(yù)并網(wǎng)同步控制可使得直流母線(xiàn)電壓響應(yīng)更為平緩，超調(diào)量更小，穩(wěn)態(tài)時(shí)直流母線(xiàn)電壓udc維持在期望值700 V。同時(shí)消除了電網(wǎng)接口電流沖擊，實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口柔性離/并網(wǎng)切換控制。虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)可為系統(tǒng)模式切換過(guò)程提供必要的慣性和阻尼，切換過(guò)程更為穩(wěn)定、可靠。

圖13　電網(wǎng)接口電流對(duì)比仿真波形Fig.13 Current comparison simulation waveform of grid interface

變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)對(duì)拖平臺(tái)中直流電機(jī)作為負(fù)載電機(jī)，由6RA70恒轉(zhuǎn)矩控制方式驅(qū)動(dòng)。圖14為負(fù)荷波動(dòng)情況下虛擬同步發(fā)電機(jī)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形。由圖14a和圖14b的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形可看出，虛擬同步發(fā)電機(jī)直流母線(xiàn)電壓變化約為20 V，動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間約為1 s，具有良好的動(dòng)態(tài)特性，可快速響應(yīng)負(fù)荷波動(dòng)。同時(shí)電網(wǎng)接口交互電流保持良好的正弦度，穩(wěn)態(tài)時(shí)以單位功率因數(shù)運(yùn)行。

圖14　虛擬同步發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形Fig.14 The dynamic response experimentalwaveform of virtual synchronous generator

針對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工況特點(diǎn)，由負(fù)載電機(jī)模擬恒轉(zhuǎn)矩負(fù)荷特性，變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度指令由零速加速，然后勻速運(yùn)行，再減速、低速爬行，最終再到停車(chē)的全程S曲線(xiàn)。由圖15可看出基于虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)控制的電網(wǎng)接口可快速響應(yīng)負(fù)荷有功功率需求，并跟隨無(wú)功功率指令，與仿真結(jié)果一致。同時(shí)電網(wǎng)接口輸入電流基本接近正弦，并以單位功率因數(shù)方式運(yùn)行。圖16為變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)額定負(fù)載工況下電網(wǎng)接口電流諧波含量，由檢測(cè)結(jié)果可知，最大值諧波畸變率為3.4%，有效降低了變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)造成的諧波污染。

圖15　虛擬同步發(fā)電機(jī)全程運(yùn)行實(shí)驗(yàn)波形Fig.15 The entire running experimentalwaveform of virtual synchronous generator

圖16　電網(wǎng)接口電流總諧波含量Fig.16 The current total harmonic content of grid interface

3　結(jié)論

本文引入虛擬同步發(fā)電機(jī)概念，研究了一種可主動(dòng)參與電網(wǎng)電壓、頻率調(diào)節(jié)的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口控制策略。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提控制策略的可行性和有效性。得出以下結(jié)論：

1）B2B變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)具有良好的負(fù)荷功率需求特性，提高了電網(wǎng)對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的適應(yīng)性。同時(shí)，虛擬同步發(fā)電機(jī)的慣性和阻尼特性，克服了傳統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器無(wú)慣性給電網(wǎng)帶來(lái)的沖擊，具有慣性緩沖特性，可有效提升電網(wǎng)接納能力。電網(wǎng)接口電流低諧波畸變率可有效降低變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成的不利影響。

2）電網(wǎng)接口采用虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，具有傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的外特性，可實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的友好交互，為電網(wǎng)異常事件提供必要的有功、無(wú)功支撐，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。

3）虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)可為系統(tǒng)模式切換過(guò)程提供必要的慣性和阻尼，虛擬預(yù)并網(wǎng)同步控制策略消除了起動(dòng)電流沖擊，實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口柔性離/并網(wǎng)切換控制。

4）本文所提出的B2B變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)接口虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)概念清晰，算法簡(jiǎn)單，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

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Virtual Synchronous Generator Control Scheme of Grid Interface for Variable Frequency Drive System s

Wu Xuanqin Tan Guojun He Fengyou Li Hao
（School of Information and Electrical Engineering China University of Mining and Technology Xuzhou 221008 China）

The grid-side power converter is an import interface to access the distribution network for variable frequency drive systems.With the increasing penetration of variable frequency drive systems，the impact of the grid-side power converter on the distribution network becomes much more important.Firstly the virtual synchronous generator control scheme is formed in accordance with the synchronous generatormodel of traditional power systems，while the virtual speed controller and the virtual excitation controller are designed with the characteristics of variable frequency drive systems，which ensures low harmonic distortion of grid current as well asmeets the load's power need.The system can also respond to the abnormal grid voltage/frequency，which can improve the stability of the grid to a certain degree.Meanwhile，simulating themoment inertia of the synchronous generator can improve the inertia and damping of the grid interface and reduce the impact of variable frequency drive systems on the grid，and thus enhance the adaptability of the grid during the large-scale variable frequency drive system access.To achieve the flexible start of the grid interface，a virtual synchronization pre-connection controlmethod is proposed，which can realize the flexible on/off switching of the grid and eliminate the inrush current.The simulation and experimental results show the effectiveness of the proposed control scheme.

Variable frequency drive，grid interface，virtual synchronous generator，flexible start

TM464

吳軒欽男，1983年生，博士，講師，研究方向?yàn)榇蠊β式涣鱾鲃?dòng)及電力電子變流技術(shù)。（通信作者）

2015-01-02改稿日期2015-10-10

譚國(guó)俊男，1962年生，博士，教授，研究方向?yàn)榇蠊β式涣鱾鲃?dòng)及電力電子變流技術(shù)。