微网中逆变电源同步化控制研究

毕引娣，赵嘉兴，张效敏

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.国网山西省电力公司，山西太原 030001；3.太原市少年宫，山西 太原 030001）

微网中逆变电源同步化控制研究

毕引娣1，赵嘉兴2，张效敏3

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.国网山西省电力公司，山西太原 030001；3.太原市少年宫，山西 太原 030001）

微电网是分布式电源组网的重要形式之一，其组成包括不同种类的分布式电源，各种电负荷和热负荷以及相关的保护装置。在微电网的灵活控制中，对带逆变器接口的微电源控制是重要的环节。现有研究中包括PQ控制、下垂控制、V/F控制，着重研究了对逆变电源的同步化控制，主要包括模拟同步电机控制模型的选取，同步化控制方案设计。

同步电机；调频；调压；储能设备；协调控制

太阳能发电、燃料电池等可再生能源，能够提供直流电源，需要通过逆变器与交流电网相连接。这类发电装置通常惯性不足，当能量不平衡时，容易造成系统频率的大幅波动。一种解决方法就是为其配置储能装置，利用储能装置来抑制能量的不平衡，进而抑制频率的大幅波动[1]。

目前以同步电机为主的发电系统，其调控手段已经发展成熟。尤其是同步电机在采用励磁和调速控制后呈现的稳态下垂特性，可以在信号的作用下实施快速的电压调节作用及功率在并列机组之间的合理分配，这可以通过实施恰当的控制策略来使逆变电源模拟同步电机这一特性。

对同步电机的研究，从电机诞生之日起就受到了广泛关注。而在进行电力系统分析计算时，为了兼顾准确性和快速性，需要选择不同复杂程度的同步发电机数学模型。因此对逆变器进行模拟同步化控制时，要对同步发电机不同的模型进行研究。而对其模型的研究重在降阶，需要在了解发电机物理特性的基础上对同步发电机的方程进行适当简化。为了找出适用于逆变电源模拟的方程，需要对降阶后的不同模型和逆变电源同步化控制模拟的要求进行对比后做合理分析。国内外对此特性的研究大部分涉及部分模拟，主要有模拟同步电机的经典模型，即将逆变电源模拟为可控电压源，但未涉及储能设备的控制[2,3]。

本文通过比较同步电机的数学模型，设计了计及储能控制的逆变电源同步化控制方案，其中机械特性模拟通过将储能设备与同步电机转子相类比，得出其控制方案。

1 同步电机与逆变电源的类比研究

1.1 同步电机控制及能量传输模式研究

同步电机实现了将机械能转换为电能，是当代电网的主力机型，承担着发出电能的任务，电力系统中对同步电机的研究一直以来备受重视，对同步电机的控制重点是频率和电压的控制，分别通过调速和励磁系统实现。机组的特性保证了并列运行时功率的分配，瞬时功率变化的缓冲。频率调节通过有功调节实现，电压则可以通过调节无功输出完成。在功率平衡中，发电机转子充当能量缓冲器的作用，通过吸收/释放能量维持能量的瞬时平衡。图1为同步发电机能量传输模型示意图。

图1 同步电机能量传输模型

图1中Tm、Te分别表征机械转矩与电磁转矩。公式（1）、（2）、（3）给出了转子的能量关系。其中E为转子动能，J为发电机常数，Ps、Pm、Pe分别为转子功率、机械功率及电磁功率。

同步电机的电压和频率调节如图2所示，同步电机调频是通过对原动机的调节实现的，而电压是通过对励磁系统调节实现的。

图2 同步电机控制模型

1.2 逆变电源能量传输模式研究

采用逆变器接口的分布式电源，输出电压幅值由直流侧电压和控制策略共同决定的。对逆变器的控制可以分为PWM调制技术，将逆变电源控制为电压源，采用PWM电流跟踪技术，将逆变电源控制为电流源。交接电抗承担者逆变电源与电网连接传输能量的连接作用，同时起到抑制短路电流的作用，保护电力电子设备。

逆变电源的接口特性与传统同步发电机的接口特性不同,但是具有相似的能量传输模式，可以采用模拟同步电机运行的控制方式。能够实现类比控制的逆变电源类型为通过逆变器与电网接口的分布式电源。同步电机转子可以提供暂时的能量平衡，而逆变电源在没有储能提供暂时能量平衡情况下，难于维持能量的瞬时平衡。通过为逆变电源增加附属的储能装置来模拟同步发电机转子的作用，模拟转子能量缓冲的功能，如图3所示。

图3 逆变电源能量传输模型

通过研究同步电机的数学模型及其在暂态仿真中的数学求解过程，可以设计计及储能控制的模拟同步电机控制特性的模型。

2 同步化控制方案研究

2.1 储能类型的选取

电池成本较低，容量较大，使用简单但是蓄电池的能量转换效率低，由于自身充放电电流的限制，它不能提供较大的瞬时功率，在实时性上不能满足快速大功率充放电的要求。

超级电容是一种新型储能元件，具有功率密度大使用寿命长，免维护且环保的特点。缺点是单体电压低，要形成较高电压需要多个电容器串联，储能数学公式的相似性，见公式（4）和（5）。

公式（4）、（5）给出了电容的能量关系。其中E为电容储能，C为电容量，Ps为电容功率。与转子能量的关系式存在相似的数学表达形式，这就是利用电容模拟转子特性的基础。

飞轮储能具有电力输入输出快速、效率高、寿命长等优点，但飞轮本体材料的许用应力使转速不能无限地升高，也就使飞轮储存的能量受到限制。其储能效率受到轴承摩擦的制约，用来稳定和定位飞轮的控制系统较复杂。飞轮的高速旋转还带来噪声、振动、安全问题等一系列问题。所以可以采用超级电容来模拟转子能量平衡特性。

2.2 同步化控制方案设计

当储能设备并接于逆变电源直流侧时，采用DC/DC接口实现能量的双向流动，其中机械转子特性模型通过将储能设备与同步电机转子相类比后设定合理的控制策略实现。电气特性通过对逆变器采用PWM电流跟踪技术实现。当逆变电源输出能量增加，而原动机部分又来不及增加输出，则增加部分的能量由超级电容储能提供瞬时的能量补偿，当逆变电源输出能量减少，则原动机部分多余的能量由超级电容吸收，维持能量的平衡。此时超级电容相当于同步电机转子的作用，作瞬时的能量缓冲器的作用，控制方案图如图4所示。

图4 储能控制并接方案

3 同步化控制算法模型分析

如何选择合适的阶数，兼顾快速性和准确性是模拟控制中重要的方面。模拟控制不采用同步电机的高维数模型，重点是对调压调频特性的模拟以及成熟控制方法的应用。

同步电机模型有PARK方程及各阶降阶模型，为了满足同步化控制逆变电源的要求，分别对几种常用模型进行了比较：其中五阶的实用模型、三阶的实用模型等在国内电力系统分析计算中被广泛采用。其中经典的二阶模型，要求保持电势恒定，不具备调压的功能[5]。五阶实用模型中的回滞现象不利于模拟，增加了储能的控制策略实施的难度。三阶模型虽忽略了定子暂态，但保持了调压特性，且阶数不高，易于实现。三阶实用模型能够满足同步化控制要求的快速性和特性模拟的准确性，所以对逆变电源的控制可以采用三阶实用模型。

其中定子电压方程为

逆变电源同步化控制后可以将电力系统中相关控制策略、理论分析方法方便引入由该新型逆变电源组成的微电网中。可以实现通过施加电压频率控制器使该逆变电源具有调频调压功能。逆变电源同步化控制，增加了系统的同步容量，对于太阳能，风能等采用模拟同步电机控制，起到调频调压的作用，可以在微电网中承担同步发电机功能，提供电压和频率支撑。这就可以满足微电网孤岛运行时要求存在调频调压单元，减小发电单元与负荷之间的瞬时功率偏差，维持微电网频率和电压的稳定的要求。

4 结论

本文通过对比同步电机与逆变电源的能量传输模式，经过分析后，可以得到如下结论。

a)同步电机三阶实用模型能够满足逆变电源同步化控制特性模拟的要求。

b)通过模拟转子能量的平衡关系来控制储能装置，实现了能量的缓冲，可以抑制功率的大幅波动。

[1]鲁宗相，王彩霞，闵勇，等.微电网研究综述［J］.电力系统自动化，2007，31(19):100-107.

[2]丁明，杨向真，苏建徽.基于虚拟同步发电机思想的微电网逆变电源控制策略［J］.电力系统自动化，2009，33(8):89-93.

[3]苏建徽，汪长亮.基于虚拟同步发电机的微电网逆变器［J］.电工电能新技术，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

毕引娣（1965）,女，山西和顺人，2011年毕业于太原理工大学热动专业，工程师，从事污染物控制技术和污染物监测工作；

赵嘉兴（1970），男，河北宁晋人，2012年毕业于华北电力大学电气工程专业，硕士，高级工程师，从事智能电网发展和建设管理工作；

张效敏（1981），男，山西河津人，2004年毕业于太原理工大学计算机科学与技术专业，硕士，从事校外教育工作。