畢引娣，趙嘉興，張效敏

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001；2.國網(wǎng)山西省電力公司，山西太原 030001；3.太原市少年宮，山西 太原 030001）

微網(wǎng)中逆變電源同步化控制研究

畢引娣1，趙嘉興2，張效敏3

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001；2.國網(wǎng)山西省電力公司，山西太原 030001；3.太原市少年宮，山西 太原 030001）

微電網(wǎng)是分布式電源組網(wǎng)的重要形式之一，其組成包括不同種類的分布式電源，各種電負荷和熱負荷以及相關的保護裝置。在微電網(wǎng)的靈活控制中，對帶逆變器接口的微電源控制是重要的環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有研究中包括PQ控制、下垂控制、V/F控制，著重研究了對逆變電源的同步化控制，主要包括模擬同步電機控制模型的選取，同步化控制方案設計。

同步電機；調(diào)頻；調(diào)壓；儲能設備；協(xié)調(diào)控制

太陽能發(fā)電、燃料電池等可再生能源，能夠提供直流電源，需要通過逆變器與交流電網(wǎng)相連接。這類發(fā)電裝置通常慣性不足，當能量不平衡時，容易造成系統(tǒng)頻率的大幅波動。一種解決方法就是為其配置儲能裝置，利用儲能裝置來抑制能量的不平衡，進而抑制頻率的大幅波動[1]。

目前以同步電機為主的發(fā)電系統(tǒng)，其調(diào)控手段已經(jīng)發(fā)展成熟。尤其是同步電機在采用勵磁和調(diào)速控制后呈現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)下垂特性，可以在信號的作用下實施快速的電壓調(diào)節(jié)作用及功率在并列機組之間的合理分配，這可以通過實施恰當?shù)目刂撇呗詠硎鼓孀冸娫茨M同步電機這一特性。

對同步電機的研究，從電機誕生之日起就受到了廣泛關注。而在進行電力系統(tǒng)分析計算時，為了兼顧準確性和快速性，需要選擇不同復雜程度的同步發(fā)電機數(shù)學模型。因此對逆變器進行模擬同步化控制時，要對同步發(fā)電機不同的模型進行研究。而對其模型的研究重在降階，需要在了解發(fā)電機物理特性的基礎上對同步發(fā)電機的方程進行適當簡化。為了找出適用于逆變電源模擬的方程，需要對降階后的不同模型和逆變電源同步化控制模擬的要求進行對比后做合理分析。國內(nèi)外對此特性的研究大部分涉及部分模擬，主要有模擬同步電機的經(jīng)典模型，即將逆變電源模擬為可控電壓源，但未涉及儲能設備的控制[2,3]。

本文通過比較同步電機的數(shù)學模型，設計了計及儲能控制的逆變電源同步化控制方案，其中機械特性模擬通過將儲能設備與同步電機轉(zhuǎn)子相類比，得出其控制方案。

1 同步電機與逆變電源的類比研究

1.1 同步電機控制及能量傳輸模式研究

同步電機實現(xiàn)了將機械能轉(zhuǎn)換為電能，是當代電網(wǎng)的主力機型，承擔著發(fā)出電能的任務，電力系統(tǒng)中對同步電機的研究一直以來備受重視，對同步電機的控制重點是頻率和電壓的控制，分別通過調(diào)速和勵磁系統(tǒng)實現(xiàn)。機組的特性保證了并列運行時功率的分配，瞬時功率變化的緩沖。頻率調(diào)節(jié)通過有功調(diào)節(jié)實現(xiàn)，電壓則可以通過調(diào)節(jié)無功輸出完成。在功率平衡中，發(fā)電機轉(zhuǎn)子充當能量緩沖器的作用，通過吸收/釋放能量維持能量的瞬時平衡。圖1為同步發(fā)電機能量傳輸模型示意圖。

圖1 同步電機能量傳輸模型

圖1中Tm、Te分別表征機械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩。公式（1）、（2）、（3）給出了轉(zhuǎn)子的能量關系。其中E為轉(zhuǎn)子動能，J為發(fā)電機常數(shù)，Ps、Pm、Pe分別為轉(zhuǎn)子功率、機械功率及電磁功率。

同步電機的電壓和頻率調(diào)節(jié)如圖2所示，同步電機調(diào)頻是通過對原動機的調(diào)節(jié)實現(xiàn)的，而電壓是通過對勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)實現(xiàn)的。

圖2 同步電機控制模型

1.2 逆變電源能量傳輸模式研究

采用逆變器接口的分布式電源，輸出電壓幅值由直流側(cè)電壓和控制策略共同決定的。對逆變器的控制可以分為PWM調(diào)制技術，將逆變電源控制為電壓源，采用PWM電流跟蹤技術，將逆變電源控制為電流源。交接電抗承擔者逆變電源與電網(wǎng)連接傳輸能量的連接作用，同時起到抑制短路電流的作用，保護電力電子設備。

逆變電源的接口特性與傳統(tǒng)同步發(fā)電機的接口特性不同,但是具有相似的能量傳輸模式，可以采用模擬同步電機運行的控制方式。能夠?qū)崿F(xiàn)類比控制的逆變電源類型為通過逆變器與電網(wǎng)接口的分布式電源。同步電機轉(zhuǎn)子可以提供暫時的能量平衡，而逆變電源在沒有儲能提供暫時能量平衡情況下，難于維持能量的瞬時平衡。通過為逆變電源增加附屬的儲能裝置來模擬同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子的作用，模擬轉(zhuǎn)子能量緩沖的功能，如圖3所示。

圖3 逆變電源能量傳輸模型

通過研究同步電機的數(shù)學模型及其在暫態(tài)仿真中的數(shù)學求解過程，可以設計計及儲能控制的模擬同步電機控制特性的模型。

2 同步化控制方案研究

2.1 儲能類型的選取

電池成本較低，容量較大，使用簡單但是蓄電池的能量轉(zhuǎn)換效率低，由于自身充放電電流的限制，它不能提供較大的瞬時功率，在實時性上不能滿足快速大功率充放電的要求。

超級電容是一種新型儲能元件，具有功率密度大使用壽命長，免維護且環(huán)保的特點。缺點是單體電壓低，要形成較高電壓需要多個電容器串聯(lián)，儲能數(shù)學公式的相似性，見公式（4）和（5）。

公式（4）、（5）給出了電容的能量關系。其中E為電容儲能，C為電容量，Ps為電容功率。與轉(zhuǎn)子能量的關系式存在相似的數(shù)學表達形式，這就是利用電容模擬轉(zhuǎn)子特性的基礎。

飛輪儲能具有電力輸入輸出快速、效率高、壽命長等優(yōu)點，但飛輪本體材料的許用應力使轉(zhuǎn)速不能無限地升高，也就使飛輪儲存的能量受到限制。其儲能效率受到軸承摩擦的制約，用來穩(wěn)定和定位飛輪的控制系統(tǒng)較復雜。飛輪的高速旋轉(zhuǎn)還帶來噪聲、振動、安全問題等一系列問題。所以可以采用超級電容來模擬轉(zhuǎn)子能量平衡特性。

2.2 同步化控制方案設計

當儲能設備并接于逆變電源直流側(cè)時，采用DC/DC接口實現(xiàn)能量的雙向流動，其中機械轉(zhuǎn)子特性模型通過將儲能設備與同步電機轉(zhuǎn)子相類比后設定合理的控制策略實現(xiàn)。電氣特性通過對逆變器采用PWM電流跟蹤技術實現(xiàn)。當逆變電源輸出能量增加，而原動機部分又來不及增加輸出，則增加部分的能量由超級電容儲能提供瞬時的能量補償，當逆變電源輸出能量減少，則原動機部分多余的能量由超級電容吸收，維持能量的平衡。此時超級電容相當于同步電機轉(zhuǎn)子的作用，作瞬時的能量緩沖器的作用，控制方案圖如圖4所示。

圖4 儲能控制并接方案

3 同步化控制算法模型分析

如何選擇合適的階數(shù)，兼顧快速性和準確性是模擬控制中重要的方面。模擬控制不采用同步電機的高維數(shù)模型，重點是對調(diào)壓調(diào)頻特性的模擬以及成熟控制方法的應用。

同步電機模型有PARK方程及各階降階模型，為了滿足同步化控制逆變電源的要求，分別對幾種常用模型進行了比較：其中五階的實用模型、三階的實用模型等在國內(nèi)電力系統(tǒng)分析計算中被廣泛采用。其中經(jīng)典的二階模型，要求保持電勢恒定，不具備調(diào)壓的功能[5]。五階實用模型中的回滯現(xiàn)象不利于模擬，增加了儲能的控制策略實施的難度。三階模型雖忽略了定子暫態(tài)，但保持了調(diào)壓特性，且階數(shù)不高，易于實現(xiàn)。三階實用模型能夠滿足同步化控制要求的快速性和特性模擬的準確性，所以對逆變電源的控制可以采用三階實用模型。

其中定子電壓方程為

逆變電源同步化控制后可以將電力系統(tǒng)中相關控制策略、理論分析方法方便引入由該新型逆變電源組成的微電網(wǎng)中?？梢詫崿F(xiàn)通過施加電壓頻率控制器使該逆變電源具有調(diào)頻調(diào)壓功能。逆變電源同步化控制，增加了系統(tǒng)的同步容量，對于太陽能，風能等采用模擬同步電機控制，起到調(diào)頻調(diào)壓的作用，可以在微電網(wǎng)中承擔同步發(fā)電機功能，提供電壓和頻率支撐。這就可以滿足微電網(wǎng)孤島運行時要求存在調(diào)頻調(diào)壓單元，減小發(fā)電單元與負荷之間的瞬時功率偏差，維持微電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定的要求。

4 結論

本文通過對比同步電機與逆變電源的能量傳輸模式，經(jīng)過分析后，可以得到如下結論。

a)同步電機三階實用模型能夠滿足逆變電源同步化控制特性模擬的要求。

b)通過模擬轉(zhuǎn)子能量的平衡關系來控制儲能裝置，實現(xiàn)了能量的緩沖，可以抑制功率的大幅波動。

[1]魯宗相，王彩霞，閔勇，等.微電網(wǎng)研究綜述［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31(19):100-107.

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

[3]蘇建徽，汪長亮.基于虛擬同步發(fā)電機的微電網(wǎng)逆變器［J］.電工電能新技術，2010，29(3)：26-29.

Study on Inverter Synchronous Control in M icro-grid

BIYindi1,ZHAO Jiaxing2,ZHANG Xiaom in3

（1.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi 030001,China; 2.State Grid Shanxi Electric Power Corporation,Taiyuan,Shanxi 030001,China; 3.Taiyuan Children's Palace,Taiyuan,Shanxi 030001,China)

Micro-grid isoneof the importantnetwork fordistributed generation.ItcontainsdifferentkindsofDG,electric load,heat load and relevant relay protection equipment.How todealwith inverter controlled generation isone key part for optimalmicro-grid control. Current researches on PQ control,droop control and V/F control focused on synchronous control of inverter,including the select of simulated synchronousmotor controlmodeland synchronousscheme.

synchronousgenerator;frequencyadjustment;voltageadjustment;energy storage;coordination control

TM76

A

1671-0320（2016）05-0023-03

2016-07-04，

2016-07-22

畢引娣（1965）,女，山西和順人，2011年畢業(yè)于太原理工大學熱動專業(yè)，工程師，從事污染物控制技術和污染物監(jiān)測工作；

趙嘉興（1970），男，河北寧晉人，2012年畢業(yè)于華北電力大學電氣工程專業(yè)，碩士，高級工程師，從事智能電網(wǎng)發(fā)展和建設管理工作；

張效敏（1981），男，山西河津人，2004年畢業(yè)于太原理工大學計算機科學與技術專業(yè)，碩士，從事校外教育工作。