基于虛擬同步電機的負荷變流器控制方法研究

何光輝，張仰飛，董天雄，陳光宇，紀 思

（1.南京工程學院電力工程學院，南京 211167；2.云南電網有限責任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000）

基于虛擬同步電機的負荷變流器控制方法研究

何光輝1，張仰飛1，董天雄1，陳光宇1，紀 思2

（1.南京工程學院電力工程學院，南京 211167；2.云南電網有限責任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000）

隨著大量負荷變流器接入電網，電網逐步發展為以電力電子變換器為主導的低慣量、欠阻尼網絡，電網的穩定性和安全性受到嚴峻考驗。負荷作為電網的參與者，也應當承擔維護電網穩定的責任。基于虛擬同步電機技術，提出了一種負荷變流器控制方法，介紹了該控制方法的基本原理，闡述了有功/頻率、無功/電壓調節的控制方法，并在3種工況下進行了Matlab/Simulink仿真。仿真結果表明該方法可實現負荷與電網的互動，有利于促進電網電壓的穩定性，驗證了該方法的可行性和有效性。

虛擬同步電機；負荷變流器；互動；穩定性

0 引言

隨著全球能源互聯網戰略構想的提出，國家能源發展面臨重大戰略轉型，電網迎來新的發展機遇，電網功能形態發生巨大變化，對電網技術水平提出了新的要求，電網供需現狀和發展趨勢體現了一些新的特征[1]。負荷作為電網的參與者，也應擔負起維護系統穩定的責任，如何應對快速增長的可控負荷，實現就地同步并加強電網與可控負荷的聯系是當前研究的重點[2]。基于電力電子變流器的可控負荷的響應速度非常快，且自身沒有同步電機所固有的旋轉慣性和阻尼分量，當電力系統中接入過多時，必定會威脅到電力系統的安全穩定運行。同時，電網的波動會對負荷造成直接影響，損害負荷側用戶的體驗和利益。如果能在負荷中虛擬出類似于同步電機的“同步”機制，使得負荷具有同步機組并網運行的慣性、阻尼特性、有功調頻、無功調壓等運行外特性，將有利于提升負荷與電網互動程度，改善電網的頻率和電壓穩定性。

虛擬同步電機技術使變流器模擬傳統同步電機成為可能[3，4]，且因其對電網天然友好，逐步成為國內外研究熱點。文獻[5]首次提出了用于分布式并網的“同步逆變器”的概念。文獻[6—8]提出改進的虛擬同步電機模型，改善了虛擬同步電機的性能。文獻[13—15]提出了幾種針對電網電能傳輸模塊的控制策略。文獻[9]提出無需鎖相環就可檢測電網頻率的虛擬同步電機模型，實現有功/頻率下垂控制。文獻[10]提出一種基于虛擬同步發電機原理的等效功率平抑及頻率補償方法。文獻[11]提出一種電動汽車快充方案，將整個充電樁等同為一個同步電機負荷來看，但未述及電網的波動對負荷有何影響。文獻[12]提出一種能量路由器電路，在直流母線電壓受擾偏低時，主動降低負荷電壓，少向母線取用功率，支撐母線電壓恢復，但也因此大大影響了負荷側用戶的體驗，損害了負荷側用戶利益。以上文獻大多針對分布式電源并網部分或是電能傳輸模塊展開研究，對同樣是電網參與者的負荷，并沒有太多的研究。

以下提出一種負荷變流器控制方法（稱為負荷虛擬同步電機），能夠使負荷輸出端電壓穩定在額定值，在電網電壓受到擾動時，向電網吸收或發出無功功率，支持電網電壓的恢復，對電網的穩定性有很大的提升作用。搭建了負荷虛擬同步電機的Matlab/Simulink仿真模型并進行了仿真，仿真結果驗證了所提方法的可行性和有效性。

1 負荷虛擬同步電機的數學模型

負荷虛擬同步電機的本質是利用虛擬同步電機技術控制變流器來模擬傳統同步電機的工作狀況，從而虛擬出同步電機的運行特性。其基本拓撲結構如圖1所示。其中，Q1—Q6組成三相逆變橋，Rz為負荷變流器負載內阻。控制部分主要由功率控制部分和負荷虛擬同步電機算法組成，功率控制部分包含有功/頻率控制、無功/電壓控制。將測得的端電壓uabc和電流iabc送入負荷虛擬同步電機算法中，得到相應的控制信號。控制信息通過PWM（脈寬調制）送回到變流器。

虛擬同步電機的數學模型一般用經典二階模型來描述[16]。不同于電源側虛擬同步電機，負荷虛擬同步電機的定子電流的方向與電源側虛擬同步電機的定子電流方向相反。設定負荷虛擬同步電機的極對數為1，其機械方程為：

圖1 負荷虛擬同步電機的拓撲結構

式中：δ為虛擬同步電機的相角；ω為虛擬同步電機的角頻率；J為虛擬同步電機的轉動慣量；Tm，Te和Td分別為虛擬同步電機機械轉矩、電磁轉矩和阻尼轉矩；D為阻尼系數；ω0為額定角頻率。

其電磁方程為：

式中：eabc為負荷虛擬同步電機的電勢；uabc為虛擬同步電機的機端電壓；L，R分別為虛擬同步電機的定子電感和定子繞組，分別對應交流接口處的濾波電感及其寄生電阻。

2 負荷虛擬同步電機控制方法

為了實現負荷變流器接口與電網的主動交互，根據電網的頻率、電壓調節負荷的有功和無功功率，提出負荷虛擬同步電機模型。負荷虛擬同步電機的控制框圖如圖2所示。

2.1 有功/頻率控制

負荷虛擬同步電機的有功/頻率控制框圖如圖3所示。

在有功/頻率控制中，負荷側測得負荷電壓Udc與負荷參考電壓Udcref相比較后，進行PI控制，然后將PI控制器的結果與負荷側電壓參考值相乘，可以得到有功功率的參考值Pref。

負荷虛擬同步電機機械轉矩Tm由額定轉矩指令T0和頻率調節的部分ΔTf組成，可表示為：

式中：額定轉矩指令T0=Pref/ω；頻率調節的部分ΔTf=kf（f-fref）； kf為頻率調節系數；f為負荷虛擬同步電機機端電壓的頻率；fref為電網額定頻率。

圖2 負荷虛擬同步電機的控制框圖

圖3 負荷虛擬同步電機有功/頻率控制框圖

負荷虛擬同步電機的電磁功率由電勢eabc和電流iabc得出，表示為：

以某城市軌道交通1號線為例進行測試分析。該線路的列車旅行速度約為35 km/h。由于牽引整流機組容量一般按遠期負荷確定，故選取該線路的遠期高峰小時列車開行對數(30對/h)進行計算。根據上述數據可以推算出：遠期高峰小時兩列列車之間的間隔約為1.167 km，且一個大雙邊供電分區可能會出現4列列車同時起動的情況。考慮到線路開通試運營前的綜合聯調、試運行、運營演練等工作的統籌安排，牽引供電系統供電能力測試推薦選取以下兩種典型場景進行。

電磁轉矩由電磁功率與負荷虛擬同步電機的功角得到，表示為：

2.2 無功/電壓控制

圖4為負荷虛擬同步電機無功/電壓控制框圖。在無功/電壓控制中，負荷虛擬同步電機的無功功率由式（7）可得：

負荷虛擬同步電機的電勢指令分別由電機的空載電勢E0、無功調節的部分ΔEQ以及電壓調節的部分ΔEU組成，可以表示為：

其中，無功調節的部分ΔEQ和電壓調節的部分ΔEU表示為：

圖4 負荷虛擬同步電機無功/電壓控制框圖

式中：kq，ku分別為無功、電壓調節系數；Qref和Q分別為交流接口處的無功指令和瞬時無功功率；Uref和U分別為負荷虛擬同步電機的輸出電壓有效值指令以及真實值。

可以得到虛擬同步電機的虛擬電勢矢量：

進而，由式（3）可以得到負荷虛擬同步電機的電流指令值iabcref，與電網電流iabc比較后，通過跟蹤正弦信號效果更好的準PR控制器控制電網電流[17， 18]。

3 算例仿真

（1）工況1。初始穩定運行后，0.3 s時，網側電壓受到擾動出現電壓跌落，跌落到原來的90%；0.5 s時，網側電壓回到正常狀態；0.7 s時，網側電壓受到擾動出現電壓上升，上升了10%；0.9 s時，網側電壓回到正常狀態。

（2）工況2。初始穩定運行后，0.3 s時，網側電壓受到擾動，頻率上升了0.5 Hz；0.5 s時，網側電壓頻率回到正常狀態。

（3）工況3。初始穩定運行后，0.3 s時，負荷側突然有內阻為50 Ω的阻性負載加在負荷虛擬電機負荷側；0.5 s時，網側電壓發生故障，A相電壓變為原來的90%；0.7 s時，A相電壓回到正常狀態；0.9 s時，A相電壓上升10%；1.1 s時，A相電壓回到正常狀態。

4 仿真結果

圖5給出了工況1的仿真波形。圖5（a）為負荷虛擬同步電機負荷側直流電壓波形，開機后經過短暫的振蕩，負荷側直流電壓穩定在600 V；在網側電壓出現擾動后，無論網側電壓下降還是上升，經過短暫的振蕩后，直流側母線電壓穩定在600 V。圖5（b）為負荷虛擬同步電機無功功率的波形，當電網電壓變化時，負荷虛擬同步電機的無功功率相應變化，與電網形成互動，對電網的電壓恢復有一定的支撐作用。

圖6給出了工況2的仿真波形。圖6（a）為負荷虛擬同步電機負荷側直流電壓波形，負荷側電壓穩定后，網側電壓頻率上升時，負荷側電壓經過短暫的振蕩回到額定值。圖6（b）為負荷虛擬同步電機角頻率，由圖可知，負荷虛擬同步電機可以準確跟蹤網側電壓頻率。

圖5 工況1仿真波形

圖6 工況2仿真波形

圖7給出了工況3的仿真波形。圖7（a）為負荷虛擬同步電機負荷側直流電壓波形，0.3 s時，突然增加的負載導致負荷側電壓暫降，經過振蕩后，又回到額定值；A相電壓的波動短暫影響負荷側電壓，但是最終還是回到額定值。圖7（b）為負荷虛擬同步電機有功功率波形，可知突加的并聯負載使負荷虛擬電機有功功率增大。圖7（c）為負荷虛擬同步電機無功功率波形，電網單相電壓變化時，負荷虛擬同步電機無功功率也相應變化，支撐電網電壓穩定。

圖7 工況3仿真波形

5 結論

基于虛擬同步電機技術，提出了一種負荷變流器控制方法。利用Matlab/Simulink搭建模型并進行仿真，仿真結果表明了該方法的可行性和有效性。可以得到以下結論：

（1）所提基于虛擬同步電機的負荷變流器控制方法，能夠虛擬出傳統電網中所存在的慣性和阻尼。負荷虛擬電機可以根據電網的變化，改變自身的有功/無功功率，與電網互動，從而對電網的穩定起到一定的支撐作用。

（2）所提基于虛擬同步電機的負荷變流器控制方法，無需測量電網側的電壓頻率，可以準確跟蹤電網的頻率變化。

（3）所提基于虛擬同步電機的負荷變流器控制方法，通過控制負荷變流器來實現負荷與電網的互動，為從負荷側提升電網穩定性提供了思路。

[1]余貽鑫，劉艷麗.智能電網的挑戰性問題[J]．電力系統自動化，2015，39（2）∶1-5．

[2]李威，丁杰，姚建國．智能電網發展形態探討[J]．電力系統自動化，2010，34（2）∶24-28．

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

[4]張興，朱德斌，徐海珍．分布式發電中的虛擬同步發電機技術[J]．電源學報，2012，41（3）∶1-6．

[5]ZHONG Q C，WEISS G．Synchronverters：Inverters that mimic synchronous generators[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58（4）∶1259-1267．

[6]侍喬明，王剛，付立軍，等．基于虛擬同步發電機原理的模擬同步發電機設計方法[J]．電網技術，2015，39（3）∶783-790．

[7]孟建輝，王毅，石新春，等．基于虛擬同步發電機的分布式逆變電源控制策略及參數分析[J]．電工技術學報，2014，29（12）∶1-10．

[8]趙楊陽，柴建云，孫旭東．基于虛擬同步發電機的柔性虛擬調速器模型[J]．電力系統自動化，2016，40（10）∶8-15．

[9]余洪偉，劉進軍，劉增，等．一種改進型虛擬同步發電機控制方法研究[J]．電力電子技術，2015，49（11）∶63-65．

[10]李治中，哈立原．基于電網接口虛擬同步發電機的控制方法研究[J]．電子器件，2016，39（2）∶432-436．

[11]呂志鵬，梁英，曾正，等．應用虛擬同步電機技術的電動汽車快充控制方法[J]．中國電機工程學報，2014，34（25）∶4284-4294．

[12]盛萬興，劉海濤，曾正，等．一種基于虛擬電機控制的能量路由器[J]．中國電機工程學報，2015，35（14）∶3541-3550．

[13]阮立煜．基于粒子群算法的VSC-HVDC控制參數優化[J]．浙江電力，2015，34（1）∶9-13．

[14]張昕，杜俊杰，曾東，等．含VSC-HVDC系統的風光并網極限容量的研究[J]．浙江電力，2016，35（12）∶64-68．

[15]吳俊，方芳，趙曉明．柔性直流輸電舟洋換流站無源HVDC啟動試驗中典型故障分析[J]．浙江電力，2016，35（1）∶6-9．

[16]張興，汪楊俊，余暢舟，等．采用PI+重復控制的并網逆變器控制耦合機理及其抑制策略[J]．中國電機工程學報，2014，34（30）：5287-5295．

[17]周潔，羅安，陳燕東，等．低壓微電網多逆變器并聯下的電壓不平衡補償方法[J]．電網技術，2014，38（2）：412-418．

[18]倪以信，陳壽孫，張寶霖．動態電力系統的理論和分析[M]．北京：清華大學出版社，2002．

Research on Load Converter Control Method Based on Virtual Synchronous Motor

HE Guanghui1， ZHANG Yangfei1， DONG Tianxiong1， CHEN Guangyu1， JI Si2

（1.School of Electric Power Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China；2.Chuxiong Power Supply Company，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Chuxiong Yunnan 675000， China）

With grid integration of a large number of load converters，power grid is gradually developing into a low inertia and less damped network dominated by power electronic converters and faces severe stability and safety challenges.As a participant in the grid，load should also be responsible for maintaining the stability of the grid.Based on the virtual synchronous motor technology，this paper presents a load converter control method and introduces basic principles of the control method； besides， it elaborates on an active/frequency and reactive/voltage regulation control method and carries out Matlab/Simulink simulation in three different operating conditions.The simulation result shows that the method can realize the interaction between the load and the grid，and is conducive to grid voltage stability promotion.Feasibility and effectiveness of the method are verified.

virtual synchronous motor； load converter； interaction； stability

10.19585/j.zjdl.201709004

1007-1881（2017）09-0019-05

TM341

A

江蘇省配電網智能技術與裝備協同創新中心開放基金資助項目（XTCX201713）

2017-06-12

何光輝（1993），男，碩士研究生，研究方向為電力系統運行與控制。

（本文編輯：方明霞）