同步逆變器并離網切換策略研究

張欽臻，朱鵬鵬

（上海電力大學 電子與信息工程學院,上海 201306）

1 概述

隨著全球化石燃料的不斷消耗及環境問題的日益加重，推動了微電網及可再生分布式能源發電技術在電網中的應用[1]。然而大量的可再生分布式發電單元通過電力電子接口接入電網，傳統的同步發電機所具有的阻尼及慣性不足以維持電網穩定、高效的運行[2]，亟需一種友好的并網設備連接微電網與電網。虛擬同步機是將電力電子變流器控制成具有傳統同步機內部阻尼、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方式——同步逆變器將同步機的數學結構模型轉化為電壓參考指令，引入到逆變器的控制中，并根據需要在逆變器直流側配備充足的儲能單元即可為系統提供慣量支撐，提升系統運行的穩定性。文獻[4]提出了虛擬同步發電機的并離網切換策略，但沒有考慮并網時無功功率對微電網帶來的沖擊。文獻[5]基于虛擬同步發電機技術的無縫切換策略，可以很好的進行離/并網切換，但是結構相對復雜。

本文在研究同步逆變器結構、控制原理的基礎上，針對微電網并網、離網的兩種工作狀態，提出了采用同步逆變器技術的微電網無縫切換策略。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構和控制結構兩部分構成。

物理結構上，由圖1 所示，同步逆變器由直流側電源、三相全橋拓撲、LC 濾波器、并/離網切換裝置構成。圖中Udc為直流側電壓，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。

控制結構上，由采樣和控制電路兩部分構成。采樣電路將采集到同步逆變器濾波電容側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 為轉動慣量，Te和 Tm分別為同步逆變器的電磁、機械轉矩，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，同步逆變器的機械轉矩可由式（3）計算得出

圖1 同步逆變器的拓撲結構及控制圖

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電機搖擺方程，同步逆變器將上述的轉動慣量J 引入到控制方程中，使逆變器在頻率、功率的動態變化中具備了慣性，阻尼系數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定

當傳統同步機并網運行時，依據電網的頻率與自身下垂系數，通過調速器、調頻器來改變其機械轉矩的輸出。借鑒上述原理，同步逆變器通過引入虛擬的機械轉矩Tm作為參考機械轉矩，由指令機械轉矩和頻率反饋指令轉矩兩部分組成：

式中：Pref為同步逆變器的有功指令功率，kf為調頻系數。

2.3 同步逆變器的無功功率設定

傳統同步機通過調節勵磁電流來調節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節內在的虛擬電勢來模擬同步發電機的機端電壓及調節無功功率的輸出。

將無功功率引入到同步逆變器的電壓調整中，可增強微電網在孤島和并網模式切換時的穩態性能，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-無功調節系數，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/離網切換策略

交流微電網一般以光伏、風力等可再生的分布電源、負荷、儲能電池等設備串接在交流母線上組成，在交流側通過PCC 耦合點與電網相連接，其具有并網運行和孤島運行兩種工作模式。在傳統微電網中至少有一臺并網逆變器做PQ、V/F 雙模式切換。微電網處于并網運行模式時，有雙模式運行能力的并網逆變器采集電網側電壓和頻率運行于PQ 控制模式，根據自身有功、無功功率指令向負荷及電網輸送容量；當微電網處于離網狀態時，雙模式運行的并網逆變器由PQ 控制切換至V/F 控制，維持微電網電壓和頻率的穩定，為系統內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逆變器的工作方式來實現微電網工作模式的切換往往比較復雜且操作不當會導致系統遭受大電流沖擊。同時并網逆變器的雙模式切換需要時間，在切換過程中會出現幾個頻率周期的電壓中斷，影響系統中敏感負荷的工作。

3.1 并網轉離網

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，在微電網由并網運行模式轉為孤島運行模式的時刻，同步逆變器仍能夠保持并網狀態時的功角和電壓，保證無縫、平滑的切換。在切換完成后，同步逆變器根據參考有功、無功功率指令，結合自身的阻尼系數與微電網中負荷需求，運行于新的功率平衡點，為孤島運行的微電網提供電壓和頻率的支撐。

3.2 離網轉并網

當微電網處于孤島運行模式時，由于系統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產生偏差。

以同步逆變器電壓Ua和電網電壓Uga為例，兩電壓的瞬時差值為：

假設微電網孤島模式下a 相電壓幅值U2與電網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電壓與電網電壓之間峰值差可達2U1，如果不采取適當的并網方式，會給微電網、電網帶來較大的電流沖擊，輕則導致并網失敗，嚴重情況下會導致微電網解列，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策略。

在微電網并網運行過程中，同步逆變器將電網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電壓幅值差小于設定的差值（一般為并網電壓的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之間的相位差為目標，在dq 坐標系下微電網電壓Ua與d 軸夾角為θ 且以ω1的角速度旋轉，電網電壓Uga與d 軸夾角為θ1并以ω 的角速度旋轉，通過調節微電網電壓Ua的旋轉速度使其與電網電壓Uga重合，并以相同的速度旋轉，即可實現微電網由孤島運行向并網運行模式的切換。

在控制方式上，將微電網電壓Ua、電網電壓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，即可實現微電網電壓對電網電壓的追蹤。

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的20kW 風力分布式發電單元DG1、2個本地負荷（負荷 1：5kW/0Var、負荷 2：10kW/2kVar）的微電網。電路的仿真參數如下：直流母線電壓700V，交流側額定電壓311V，微電網額定頻率50Hz，并網電感450μH，并網電阻 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/離網切換控制；2s 時微電網由并網模式轉換到孤島模式；2.5s 時結束仿真。仿真結果如圖2 所示。

由圖2 可得，0-0.5s 時微電網運行于離網狀態時，同步逆變器能根據系統中所帶負荷特性及自身阻尼系數，自動調節輸出得有功、無功功率，改切負荷為變系統頻率滿足系統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負荷實際需求，其可以很好的追蹤設定的指令功率，系統頻率從49.9Hz 經0.1s 的過渡時間恢復至50Hz。1.2s 時同步逆變器引入并/離網切換控制，微電網由孤島工作狀態向并網工作狀態轉變，觀察圖2（a）可以看出，系統頻率出現波動，最大上升為50.3Hz，究其原因可由圖2（c）得出，在PCC 耦合點側，電網的電壓相位超前微電網的電壓相位，同步逆變器需增大系統運行的角速度，以追趕電網電壓相位，經過半個周期的調整，兩電壓相位、頻率重合。在1.35s 時，PCC 耦合點閉合，微電網由孤島運行模式轉為并網運行模式實現了并/離網無縫切換。

5 研究結論

圖2 離-并網切換仿真波形

本文針對同步逆變器在微電網中的應用進行了研究。首先針對同步逆變器的結構、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，在微電網孤島模式時可以根據負荷特性自身阻尼系數，自動調節向微電網輸出的有功、無功功率為系統提供電壓和頻率的支撐。隨后將并網逆變器可以看作為一臺獨立的電壓源，根據微電網運行模式的切換提出了同步逆變器的并/離網切換策略，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的電壓幅值和相位，減少并網電流對微電網的沖擊。