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)境問題的日益加重，推動了微電網(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)電單元通過電力電子接口接入電網(wǎng)，傳統(tǒng)的同步發(fā)電機所具有的阻尼及慣性不足以維持電網(wǎng)穩(wěn)定、高效的運行[2]，亟需一種友好的并網(wǎng)設(shè)備連接微電網(wǎng)與電網(wǎng)。虛擬同步機是將電力電子變流器控制成具有傳統(tǒng)同步機內(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的一種實現(xiàn)方式——同步逆變器將同步機的數(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)配備充足的儲能單元即可為系統(tǒng)提供慣量支撐，提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。文獻[4]提出了虛擬同步發(fā)電機的并離網(wǎng)切換策略，但沒有考慮并網(wǎng)時無功功率對微電網(wǎng)帶來的沖擊。文獻[5]基于虛擬同步發(fā)電機技術(shù)的無縫切換策略，可以很好的進行離/并網(wǎng)切換，但是結(jié)構(gòu)相對復(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)無縫切換策略。在Matlab/Simulink 中搭建了仿真模型，驗證了所提出無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、三相全橋拓撲、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為三相全橋拓撲橋臂處的電壓可等效為同步機的內(nèi)電勢，C 為濾波電容、L 為濾波電感模擬同步機的定子電感，L 的等效電阻及功率器件的寄生電阻模擬同步機的定子電阻，UCabc為LC 濾波器中電容電壓等效為同步發(fā)電機機端電壓。進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)動慣量，Te和 Tm分別為同步逆變器的電磁、機械轉(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)，同步逆變器的機械轉(zhuǎn)矩可由式（3）計算得出

圖1 同步逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)及控制圖

式中：Pe為同步逆變器的電磁功率。

式（2）為同步機的機械方程也就是人們常說的發(fā)電機搖擺方程，同步逆變器將上述的轉(zhuǎn)動慣量J 引入到控制方程中，使逆變器在頻率、功率的動態(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具備了阻尼特性。

2.2 同步逆變器的有功功率設(shè)定

當傳統(tǒng)同步機并網(wǎng)運行時，依據(jù)電網(wǎng)的頻率與自身下垂系數(shù)，通過調(diào)速器、調(diào)頻器來改變其機械轉(zhuǎn)矩的輸出。借鑒上述原理，同步逆變器通過引入虛擬的機械轉(zhuǎn)矩Tm作為參考機械轉(zhuǎn)矩，由指令機械轉(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 同步逆變器的無功功率設(shè)定

傳統(tǒng)同步機通過調(diào)節(jié)勵磁電流來調(diào)節(jié)同步機的機端電壓與輸出的無功功率。同步逆變器可以通過調(diào)節(jié)內(nèi)在的虛擬電勢來模擬同步發(fā)電機的機端電壓及調(diào)節(jié)無功功率的輸出。

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

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

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、負荷、儲能電池等設(shè)備串接在交流母線上組成，在交流側(cè)通過PCC 耦合點與電網(wǎng)相連接，其具有并網(wǎng)運行和孤島運行兩種工作模式。在傳統(tǒng)微電網(wǎng)中至少有一臺并網(wǎng)逆變器做PQ、V/F 雙模式切換。微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運行模式時，有雙模式運行能力的并網(wǎng)逆變器采集電網(wǎng)側(cè)電壓和頻率運行于PQ 控制模式，根據(jù)自身有功、無功功率指令向負荷及電網(wǎng)輸送容量；當微電網(wǎng)處于離網(wǎng)狀態(tài)時，雙模式運行的并網(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。但通過切換雙模式并網(wǎng)逆變器的工作方式來實現(xiàn)微電網(wǎng)工作模式的切換往往比較復(fù)雜且操作不當會導(dǎo)致系統(tǒng)遭受大電流沖擊。同時并網(wǎng)逆變器的雙模式切換需要時間，在切換過程中會出現(xiàn)幾個頻率周期的電壓中斷，影響系統(tǒng)中敏感負荷的工作。

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相同的電壓外特性，可以等效獨立的電壓源，因此，在微電網(wǎng)由并網(wǎng)運行模式轉(zhuǎn)為孤島運行模式的時刻，同步逆變器仍能夠保持并網(wǎng)狀態(tài)時的功角和電壓，保證無縫、平滑的切換。在切換完成后，同步逆變器根據(jù)參考有功、無功功率指令，結(jié)合自身的阻尼系數(shù)與微電網(wǎng)中負荷需求，運行于新的功率平衡點，為孤島運行的微電網(wǎng)提供電壓和頻率的支撐。

3.2 離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)

當微電網(wǎng)處于孤島運行模式時，由于系統(tǒng)中負荷的種類及其自身的工作模式，其電壓、頻率和相角會與電網(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，兩電壓的瞬時差值可進一步表示為：

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

在微電網(wǎng)并網(wǎng)運行過程中，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，在dq 坐標系下微電網(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)，即可實現(xiàn)微電網(wǎng)由孤島運行向并網(wǎng)運行模式的切換。

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

4 仿真分析

為驗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 仿真平臺中搭建了由1 臺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個本地負荷（負荷 1：5kW/0Var、負荷 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。按如下時序仿真：0-0.5s 時，DG1 以 10kW/0Var 指令功率開機運行；0.5-1s 時DG1 功率指令升至15kW/2kVar 運行；1.2s 時引入并/離網(wǎng)切換控制；2s 時微電網(wǎng)由并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換到孤島模式；2.5s 時結(jié)束仿真。仿真結(jié)果如圖2 所示。

由圖2 可得，0-0.5s 時微電網(wǎng)運行于離網(wǎng)狀態(tài)時，同步逆變器能根據(jù)系統(tǒng)中所帶負荷特性及自身阻尼系數(shù)，自動調(diào)節(jié)輸出得有功、無功功率，改切負荷為變系統(tǒng)頻率滿足系統(tǒng)中負荷對電能的需求。0.5s-1.2s 時，同步逆變器輸出功率滿足系統(tǒng)負荷實際需求，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 的過渡時間恢復(fù)至50Hz。1.2s 時同步逆變器引入并/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，最大上升為50.3Hz，究其原因可由圖2（c）得出，在PCC 耦合點側(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)運行的角速度，以追趕電網(wǎng)電壓相位，經(jīng)過半個周期的調(diào)整，兩電壓相位、頻率重合。在1.35s 時，PCC 耦合點閉合，微電網(wǎng)由孤島運行模式轉(zhuǎn)為并網(wǎng)運行模式實現(xiàn)了并/離網(wǎng)無縫切換。

5 研究結(jié)論

圖2 離-并網(wǎng)切換仿真波形

本文針對同步逆變器在微電網(wǎng)中的應(yīng)用進行了研究。首先針對同步逆變器的結(jié)構(gòu)、控制原理進行了分析，得出了同步逆變器具有與同步機相比擬的外特性，在微電網(wǎng)孤島模式時可以根據(jù)負荷特性自身阻尼系數(shù)，自動調(diào)節(jié)向微電網(wǎng)輸出的有功、無功功率為系統(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獨立的電壓源，根據(jù)微電網(wǎng)運行模式的切換提出了同步逆變器的并/離網(wǎng)切換策略，由仿真實驗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)電流對微電網(wǎng)的沖擊。