基于虚拟同步电机的负荷变流器控制方法研究

何光辉，张仰飞，董天雄，陈光宇，纪 思

（1.南京工程学院电力工程学院，南京 211167；2.云南电网有限责任公司楚雄供电局，云南 楚雄 675000）

基于虚拟同步电机的负荷变流器控制方法研究

何光辉1，张仰飞1，董天雄1，陈光宇1，纪 思2

（1.南京工程学院电力工程学院，南京 211167；2.云南电网有限责任公司楚雄供电局，云南 楚雄 675000）

随着大量负荷变流器接入电网，电网逐步发展为以电力电子变换器为主导的低惯量、欠阻尼网络，电网的稳定性和安全性受到严峻考验。负荷作为电网的参与者，也应当承担维护电网稳定的责任。基于虚拟同步电机技术，提出了一种负荷变流器控制方法，介绍了该控制方法的基本原理，阐述了有功/频率、无功/电压调节的控制方法，并在3种工况下进行了Matlab/Simulink仿真。仿真结果表明该方法可实现负荷与电网的互动，有利于促进电网电压的稳定性，验证了该方法的可行性和有效性。

虚拟同步电机；负荷变流器；互动；稳定性

0 引言

随着全球能源互联网战略构想的提出，国家能源发展面临重大战略转型，电网迎来新的发展机遇，电网功能形态发生巨大变化，对电网技术水平提出了新的要求，电网供需现状和发展趋势体现了一些新的特征[1]。负荷作为电网的参与者，也应担负起维护系统稳定的责任，如何应对快速增长的可控负荷，实现就地同步并加强电网与可控负荷的联系是当前研究的重点[2]。基于电力电子变流器的可控负荷的响应速度非常快，且自身没有同步电机所固有的旋转惯性和阻尼分量，当电力系统中接入过多时，必定会威胁到电力系统的安全稳定运行。同时，电网的波动会对负荷造成直接影响，损害负荷侧用户的体验和利益。如果能在负荷中虚拟出类似于同步电机的“同步”机制，使得负荷具有同步机组并网运行的惯性、阻尼特性、有功调频、无功调压等运行外特性，将有利于提升负荷与电网互动程度，改善电网的频率和电压稳定性。

虚拟同步电机技术使变流器模拟传统同步电机成为可能[3，4]，且因其对电网天然友好，逐步成为国内外研究热点。文献[5]首次提出了用于分布式并网的“同步逆变器”的概念。文献[6—8]提出改进的虚拟同步电机模型，改善了虚拟同步电机的性能。文献[13—15]提出了几种针对电网电能传输模块的控制策略。文献[9]提出无需锁相环就可检测电网频率的虚拟同步电机模型，实现有功/频率下垂控制。文献[10]提出一种基于虚拟同步发电机原理的等效功率平抑及频率补偿方法。文献[11]提出一种电动汽车快充方案，将整个充电桩等同为一个同步电机负荷来看，但未述及电网的波动对负荷有何影响。文献[12]提出一种能量路由器电路，在直流母线电压受扰偏低时，主动降低负荷电压，少向母线取用功率，支撑母线电压恢复，但也因此大大影响了负荷侧用户的体验，损害了负荷侧用户利益。以上文献大多针对分布式电源并网部分或是电能传输模块展开研究，对同样是电网参与者的负荷，并没有太多的研究。

以下提出一种负荷变流器控制方法（称为负荷虚拟同步电机），能够使负荷输出端电压稳定在额定值，在电网电压受到扰动时，向电网吸收或发出无功功率，支持电网电压的恢复，对电网的稳定性有很大的提升作用。搭建了负荷虚拟同步电机的Matlab/Simulink仿真模型并进行了仿真，仿真结果验证了所提方法的可行性和有效性。

1 负荷虚拟同步电机的数学模型

负荷虚拟同步电机的本质是利用虚拟同步电机技术控制变流器来模拟传统同步电机的工作状况，从而虚拟出同步电机的运行特性。其基本拓扑结构如图1所示。其中，Q1—Q6组成三相逆变桥，Rz为负荷变流器负载内阻。控制部分主要由功率控制部分和负荷虚拟同步电机算法组成，功率控制部分包含有功/频率控制、无功/电压控制。将测得的端电压uabc和电流iabc送入负荷虚拟同步电机算法中，得到相应的控制信号。控制信息通过PWM（脉宽调制）送回到变流器。

虚拟同步电机的数学模型一般用经典二阶模型来描述[16]。不同于电源侧虚拟同步电机，负荷虚拟同步电机的定子电流的方向与电源侧虚拟同步电机的定子电流方向相反。设定负荷虚拟同步电机的极对数为1，其机械方程为：

图1 负荷虚拟同步电机的拓扑结构

式中：δ为虚拟同步电机的相角；ω为虚拟同步电机的角频率；J为虚拟同步电机的转动惯量；Tm，Te和Td分别为虚拟同步电机机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩；D为阻尼系数；ω0为额定角频率。

其电磁方程为：

式中：eabc为负荷虚拟同步电机的电势；uabc为虚拟同步电机的机端电压；L，R分别为虚拟同步电机的定子电感和定子绕组，分别对应交流接口处的滤波电感及其寄生电阻。

2 负荷虚拟同步电机控制方法

为了实现负荷变流器接口与电网的主动交互，根据电网的频率、电压调节负荷的有功和无功功率，提出负荷虚拟同步电机模型。负荷虚拟同步电机的控制框图如图2所示。

2.1 有功/频率控制

负荷虚拟同步电机的有功/频率控制框图如图3所示。

在有功/频率控制中，负荷侧测得负荷电压Udc与负荷参考电压Udcref相比较后，进行PI控制，然后将PI控制器的结果与负荷侧电压参考值相乘，可以得到有功功率的参考值Pref。

负荷虚拟同步电机机械转矩Tm由额定转矩指令T0和频率调节的部分ΔTf组成，可表示为：

式中：额定转矩指令T0=Pref/ω；频率调节的部分ΔTf=kf（f-fref）； kf为频率调节系数；f为负荷虚拟同步电机机端电压的频率；fref为电网额定频率。

图2 负荷虚拟同步电机的控制框图

图3 负荷虚拟同步电机有功/频率控制框图

负荷虚拟同步电机的电磁功率由电势eabc和电流iabc得出，表示为：

以某城市轨道交通1号线为例进行测试分析。该线路的列车旅行速度约为35 km/h。由于牵引整流机组容量一般按远期负荷确定，故选取该线路的远期高峰小时列车开行对数(30对/h)进行计算。根据上述数据可以推算出：远期高峰小时两列列车之间的间隔约为1.167 km，且一个大双边供电分区可能会出现4列列车同时起动的情况。考虑到线路开通试运营前的综合联调、试运行、运营演练等工作的统筹安排，牵引供电系统供电能力测试推荐选取以下两种典型场景进行。

电磁转矩由电磁功率与负荷虚拟同步电机的功角得到，表示为：

2.2 无功/电压控制

图4为负荷虚拟同步电机无功/电压控制框图。在无功/电压控制中，负荷虚拟同步电机的无功功率由式（7）可得：

负荷虚拟同步电机的电势指令分别由电机的空载电势E0、无功调节的部分ΔEQ以及电压调节的部分ΔEU组成，可以表示为：

其中，无功调节的部分ΔEQ和电压调节的部分ΔEU表示为：

图4 负荷虚拟同步电机无功/电压控制框图

式中：kq，ku分别为无功、电压调节系数；Qref和Q分别为交流接口处的无功指令和瞬时无功功率；Uref和U分别为负荷虚拟同步电机的输出电压有效值指令以及真实值。

可以得到虚拟同步电机的虚拟电势矢量：

进而，由式（3）可以得到负荷虚拟同步电机的电流指令值iabcref，与电网电流iabc比较后，通过跟踪正弦信号效果更好的准PR控制器控制电网电流[17， 18]。

3 算例仿真

（1）工况1。初始稳定运行后，0.3 s时，网侧电压受到扰动出现电压跌落，跌落到原来的90%；0.5 s时，网侧电压回到正常状态；0.7 s时，网侧电压受到扰动出现电压上升，上升了10%；0.9 s时，网侧电压回到正常状态。

（2）工况2。初始稳定运行后，0.3 s时，网侧电压受到扰动，频率上升了0.5 Hz；0.5 s时，网侧电压频率回到正常状态。

（3）工况3。初始稳定运行后，0.3 s时，负荷侧突然有内阻为50 Ω的阻性负载加在负荷虚拟电机负荷侧；0.5 s时，网侧电压发生故障，A相电压变为原来的90%；0.7 s时，A相电压回到正常状态；0.9 s时，A相电压上升10%；1.1 s时，A相电压回到正常状态。

4 仿真结果

图5给出了工况1的仿真波形。图5（a）为负荷虚拟同步电机负荷侧直流电压波形，开机后经过短暂的振荡，负荷侧直流电压稳定在600 V；在网侧电压出现扰动后，无论网侧电压下降还是上升，经过短暂的振荡后，直流侧母线电压稳定在600 V。图5（b）为负荷虚拟同步电机无功功率的波形，当电网电压变化时，负荷虚拟同步电机的无功功率相应变化，与电网形成互动，对电网的电压恢复有一定的支撑作用。

图6给出了工况2的仿真波形。图6（a）为负荷虚拟同步电机负荷侧直流电压波形，负荷侧电压稳定后，网侧电压频率上升时，负荷侧电压经过短暂的振荡回到额定值。图6（b）为负荷虚拟同步电机角频率，由图可知，负荷虚拟同步电机可以准确跟踪网侧电压频率。

图5 工况1仿真波形

图6 工况2仿真波形

图7给出了工况3的仿真波形。图7（a）为负荷虚拟同步电机负荷侧直流电压波形，0.3 s时，突然增加的负载导致负荷侧电压暂降，经过振荡后，又回到额定值；A相电压的波动短暂影响负荷侧电压，但是最终还是回到额定值。图7（b）为负荷虚拟同步电机有功功率波形，可知突加的并联负载使负荷虚拟电机有功功率增大。图7（c）为负荷虚拟同步电机无功功率波形，电网单相电压变化时，负荷虚拟同步电机无功功率也相应变化，支撑电网电压稳定。

图7 工况3仿真波形

5 结论

基于虚拟同步电机技术，提出了一种负荷变流器控制方法。利用Matlab/Simulink搭建模型并进行仿真，仿真结果表明了该方法的可行性和有效性。可以得到以下结论：

（1）所提基于虚拟同步电机的负荷变流器控制方法，能够虚拟出传统电网中所存在的惯性和阻尼。负荷虚拟电机可以根据电网的变化，改变自身的有功/无功功率，与电网互动，从而对电网的稳定起到一定的支撑作用。

（2）所提基于虚拟同步电机的负荷变流器控制方法，无需测量电网侧的电压频率，可以准确跟踪电网的频率变化。

（3）所提基于虚拟同步电机的负荷变流器控制方法，通过控制负荷变流器来实现负荷与电网的互动，为从负荷侧提升电网稳定性提供了思路。

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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

江苏省配电网智能技术与装备协同创新中心开放基金资助项目（XTCX201713）

2017-06-12

何光辉（1993），男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制。

（本文编辑：方明霞）