基于虛擬同步電機(jī)控制的電力電子變壓器系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)

管之樂

（南京航空航天大學(xué)，江蘇南京）

電力電子變壓器（PET）對提升分布式能量的利用效率、提高配電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)潮流控制水平有積極幫助，在智能電網(wǎng)建設(shè)背景下得到了廣泛應(yīng)用。從實(shí)際應(yīng)用效果來看，電力電子變壓器受到電路結(jié)構(gòu)的限制，無法像同步電機(jī)那樣保證多個交流接口的同步運(yùn)行，如何進(jìn)一步提升其控制效率成為重要研究課題。將虛擬同步電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用到電力電子變壓器系統(tǒng)中，根據(jù)電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電路組成、應(yīng)用場景等采取不同的控制策略，有利于提高低壓直流接口、高壓直流接口的柔性，降低對配電網(wǎng)的沖擊影響，在提高控制響應(yīng)速度和控制精度的同時，還能抑制電流諧波，提升電能質(zhì)量。

1 電力電子變壓器系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建

本文基于PACAD/EMTDC 仿真平臺搭建了電力電子變壓器系統(tǒng)的仿真模型。該模型利用虛擬同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)對高壓和低壓交流接口的控制。高壓交流接口位于該系統(tǒng)的主電路中，經(jīng)過一個單相3H 橋級聯(lián)型AC/DC 交流器后接入10kV 配電網(wǎng)；低壓交流接口位于該系統(tǒng)的控制電路中，經(jīng)過一個雙向全橋DC/DC 變流器后接入分布式儲能裝置[1]。仿真系統(tǒng)的電源選用理想電壓，在低壓側(cè)預(yù)留直流接口，為用電設(shè)備提供直流負(fù)荷。該仿真系統(tǒng)除了接入交流負(fù)載外，還接入了光伏發(fā)電裝置、分布式儲能裝置。仿真參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

（1） 主電路仿真參數(shù)。根據(jù)電力電子變壓器系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主電路主要由高壓交流、低壓交流2種接口組成。高壓交流接口的單相輸入電壓為10 kV，頻率為50 Hz，濾波電感為3 mH，H 級聯(lián)模塊數(shù)量為3 個，穩(wěn)態(tài)總電流諧波含量小于3%，穩(wěn)態(tài)總電壓諧波含量小于5%。低壓交流接口的輸出電壓為380 V，頻率為50 Hz，額定輸出功率為10 kVA，三相濾波電感5 mH，三相濾波電容15 μF。

（2） 控制電路仿真參數(shù)。在設(shè)計(jì)電力電子變壓器系統(tǒng)的控制電路時，需要重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)有有功-頻率下垂系數(shù)、無功- 電壓下垂系數(shù)以及阻尼系數(shù)等。保證參數(shù)選取的合理性有助于保證電壓調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。這里以有功- 頻率下垂系數(shù)為例，設(shè)定條件為“在功率變化率達(dá)到100%后，要求頻率變化范圍控制在額定功率±0.5%以內(nèi)”，計(jì)算公式如下：

式中，P 表示額定功率；f 表示額定頻率；Δf 表示額定頻率的最大變化率，即50×0.5%=0.25 Hz。轉(zhuǎn)動慣量系數(shù)（L）與有功- 頻率下垂系數(shù)（K）呈正比，兩者之間的關(guān)系為：

式中，γ 表示時間常數(shù)。控制電路中高壓交流和低壓交流接口控制器的參數(shù)設(shè)定如表1 所示。

表1 控制電路參數(shù)設(shè)計(jì)

2 電力電子變壓器系統(tǒng)仿真模型的仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 高壓交流接口電壓支撐仿真

正常情況下，配電網(wǎng)由于負(fù)載變化等因素的影響電壓幅值也會出現(xiàn)小范圍的波動。此時電力電子變壓器會計(jì)算自身輸出電壓幅值（V1）與配電網(wǎng)瞬時電壓幅值（V2）之間的差值。如果存在“V1＞V2”的情況，則吸收無功功率，最終達(dá)到“V1=V2”的平衡狀態(tài)；相反，如果存在“V1＜V2”的情況，則輸出無功功率，直到達(dá)到“V1=V2”的平衡狀態(tài)[2]。為了驗(yàn)證電力電子變壓器仿真模型高壓交流接口的穩(wěn)壓效果，開展了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：在實(shí)驗(yàn)開始的第0.8 s，將配電網(wǎng)的電壓幅值降低10%；在實(shí)驗(yàn)開始的第1.2 s，將配電網(wǎng)的電壓幅值升高10%。模擬配電網(wǎng)的電壓幅值波動。觀察在實(shí)驗(yàn)期間電力電子變壓器與配電網(wǎng)交換無功功率的仿真情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 配電網(wǎng)的電壓變化情況

圖2 無功功率仿真結(jié)果

由圖1、圖2 可知，正常情況下（0～0.8 s）配電網(wǎng)的電壓幅值在[-14 kV,14 kV] 區(qū)間內(nèi)以正弦波變化；在本次實(shí)驗(yàn)的第0.8 s 將電壓幅值下調(diào)10%后，電力電子變壓器向外輸出一定的無功功率，使配電網(wǎng)的電壓升高，大約經(jīng)過0.1 s 后配電網(wǎng)的電壓重新恢復(fù)穩(wěn)定，此時電力電子變壓器不再發(fā)出無功功率。在本次實(shí)驗(yàn)的第1.2 s 將電壓幅值上調(diào)10%后，電力電子變壓器吸收一定的無功功率，使配電網(wǎng)的電壓降低，大約經(jīng)過0.1 s 后配電網(wǎng)的電壓重新恢復(fù)穩(wěn)定，此時電力電子變壓器吸收的無功功率變?yōu)?。根據(jù)圖3 無功功率的變化曲線可知，當(dāng)配電網(wǎng)電壓幅值出現(xiàn)波動時，電力電子變壓器可以在0.1 s 左右完成穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，響應(yīng)較為迅速，并且穩(wěn)壓效果較好，發(fā)揮了保證配電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行的效果[3]。

圖3 并聯(lián)仿真模型

2.2 高壓交流接口頻率支撐仿真

電力電子變壓器通過高壓交流接頭與同步電機(jī)連接，可以改變低壓側(cè)儲能裝置的功率，進(jìn)而滿足低壓側(cè)交流系統(tǒng)負(fù)荷功率需求。為了驗(yàn)證高壓交流接口的能力調(diào)節(jié)效果開展了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：保持電力電子變壓器的低壓側(cè)交流系統(tǒng)負(fù)荷功率不變，在實(shí)驗(yàn)的第0.8 s 時將配電網(wǎng)的頻率下降0.5%，在第0.9s 時恢復(fù)為正常；在第1.8 s 時間配電網(wǎng)的頻率上調(diào)0.5%，在第1.9 s 時恢復(fù)為正常。觀察配電網(wǎng)的頻率變化情況，結(jié)果如下：

（1） 在實(shí)驗(yàn)開始后的0～0.8 s 中，配電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定在50 Hz，此時電力電子變壓器從配電網(wǎng)中吸收的功率（P1）與負(fù)荷功率（P2）存在“P1=P2”的關(guān)系，意味著當(dāng)前的儲能功率ΔP 為0。

（2） 在實(shí)驗(yàn)開始后的第0.8 s，配電網(wǎng)的頻率下降為49.75 Hz。這種情況下，電力電子變壓器為了達(dá)到功率支撐效果，會主動介入配電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)。從仿真數(shù)據(jù)上來看，P1 下降了大概100 W，而低壓側(cè)系統(tǒng)負(fù)荷功率需求P2 在160 W 左右。為了達(dá)到低壓系統(tǒng)的功率消耗，缺少的60 W 功率需要由電力電子變壓器直流接口處的儲能模塊提供。此時儲能模塊需要向外釋放60 W 功率，即ΔP 為60 W，從而補(bǔ)齊功率缺口、滿足負(fù)荷需求。

（3） 在實(shí)驗(yàn)開始后的第0.9 s，配電網(wǎng)的頻率重新恢復(fù)為50 Hz，相應(yīng)的ΔP 也變?yōu)?。

在實(shí)驗(yàn)的第1.8 s 將配電網(wǎng)的頻率上升為50.25 Hz，電力電子變壓器參與頻率調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方式與上文基本一致，不再贅述。通過本次仿真實(shí)驗(yàn)可知，電力電子變壓器的高壓交流接口參與配電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)時，會在配電網(wǎng)頻率發(fā)生小范圍波動后主動與配電網(wǎng)交換有功功率，并利用低壓側(cè)直流接口處的儲能裝置吸收或輸出一定的功率，保證了低壓側(cè)系統(tǒng)負(fù)荷功率的動態(tài)平衡，達(dá)到了頻率支撐目的[4]。

2.3 低壓交流接口并聯(lián)運(yùn)行仿真

為了掌握電力電子變壓器在并聯(lián)運(yùn)行模式下，低壓交流接口的功率分配特性，搭建了并聯(lián)仿真模型。該模型中，有2 個并聯(lián)運(yùn)行的高壓交流接口PET1 和PET2，兩者采用相同的虛擬同步電機(jī)控制參數(shù)，模型結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：在實(shí)驗(yàn)開始的前0.5 s 內(nèi)，使低壓交流側(cè)系統(tǒng)空載運(yùn)行，此時系統(tǒng)的有功和無功功率為0；在實(shí)驗(yàn)的第0.5～1.0 s 內(nèi)，將有功功率上調(diào)為3.0 kW，無功功率仍然為0；在實(shí)驗(yàn)的第1.0～1.5 s內(nèi)，將有功功率上調(diào)為4.0 kW，無功功率保持為0；在實(shí)驗(yàn)的第1.5～2.0 s 內(nèi)，將有功功率下調(diào)10 kW，將無功功率增加為2.0 kW。觀察整個實(shí)驗(yàn)過程中低壓交流側(cè)系統(tǒng)的有功功率和無功功率分配情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 并聯(lián)運(yùn)行有功功率分配情況

圖5 并聯(lián)運(yùn)行無功功率分配情況

由圖4、圖5 可知，在電力電子變壓器并聯(lián)運(yùn)行模式下，如果低壓交流側(cè)系統(tǒng)的有功功率和無功功率發(fā)生波動變化，則電力電子變壓器會根據(jù)自身容量比例輸出相應(yīng)的功率，達(dá)到“功率均分”的效果。以圖5 為例，從實(shí)驗(yàn)開始后的第0.5 s 開始，將有功功率上調(diào)為3.0 kW，此時仿真系統(tǒng)中的兩個并聯(lián)運(yùn)行的高壓交流接口PET1 和PET2 功率相同，均為1.5 kW；在實(shí)驗(yàn)開始后的第1.0 s，將有功功率上調(diào)為4.0 kW，此時PET1 和PET2 的功率均為2.0 kW，符合“功率均分”要求。在保證兩者輸出功率相同的情況下，能夠最大程度上一致電力電子變壓器系統(tǒng)中空載環(huán)流的形成，這對于降低變壓器的運(yùn)行能耗、防止變壓器過熱運(yùn)行以及提高變壓器的效率有積極幫助[5]。

結(jié)束語

在建設(shè)智慧電網(wǎng)背景下，將虛擬同步電機(jī)控制技術(shù)融入到電力電子變壓器系統(tǒng)中，對延長變壓器自身的使用壽命、提高變壓器的運(yùn)行效率，以及維護(hù)配電網(wǎng)的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行有積極幫助。從仿真效果來看，電力電子變壓器的高壓交流接口使用虛擬同步電機(jī)控制，能增強(qiáng)電壓和頻率調(diào)節(jié)能力，減少并網(wǎng)過程對配電網(wǎng)帶來的沖擊影響；低壓交流接口使用虛擬同步電機(jī)控制，可以達(dá)到功率均分效果，有效抑制電流諧波，提高電能質(zhì)量。由此可見，虛擬同步電機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用對進(jìn)一步提高電力電子變壓器的應(yīng)用效果有積極幫助。