模拟同步发电机特性的焊接同步逆变器设计

褚晓锐

（西昌学院工程技术学院，四川西昌615013）

模拟同步发电机特性的焊接同步逆变器设计

褚晓锐

（西昌学院工程技术学院，四川西昌615013）

研究了一种模拟同步发电机特性的同步逆变器控制策略。根据同步发电机的本体数学模型、原动机调节模块及励磁电压调节模块，设计了虚拟同步逆变器算法，基于此控制策略，同步逆变器能够较好地模拟同步发电机特性，具有良好的下垂外特性及可调的转动惯量，提高了焊接系统的稳定性及可靠性。在MATAB/simulink中进行系统模型的搭建与仿真。仿真结果表明，该控制策略下同步逆变器能够较快的跟踪焊接负荷的变化。

同步逆变器；虚拟同步发电机算法；虚拟原动机调节；虚拟励磁电流调节

0 前言

人类对电力、能源的需求不断增加，在能源和环境的双重压力下，分布式发电技术以其独有的经济性、环保性受到了越来越多的关注[1]。目前逆变器的设计及控制策略的好坏直接关系到输出的电能质量、供电系统的安全性及可靠性等，故研究焊接逆变器的控制策略具有一定的理论意义与实际应用价值[2]。

针对逆变器常见的控制策略有恒压恒频（V/F）控制、恒功率（P/Q）控制以及下垂控制等[3-4]。恒压恒频控制要求系统中配备大容量储能装置的间歇性分布式电源和大容量非间歇性电源，否则不能满足系统负荷功率变化的需求[5]；恒功率控制则不能为其提供刚性的电压和频率支撑，当负载发生变化时可能会造成输出电压幅值和频率的较大范围内的波动[6]；下垂控制主要根据下垂公式为其提供电压幅值和相角的参考值，一旦该控制策略下的逆变器输出功率发生变化，将会导致逆变器输出的电压幅值和频率发生变化，对接入分布式发电系统的本地负载造成不良的影响[6]。文献[7]提出了一种控制方法——同步逆变器，能够使逆变器模拟出同步发电机的外特性，降低负载变化时对逆变器输出电压幅值及频率的影响，大大提高了系统的稳定性和可靠性。

在参考其他文献的基础上，分析了同步逆变器的主电路拓扑结构，根据同步发电机的本体数学模型、原动机调节模块及励磁电压调节模块，构建了同步逆变器的控制回路，并分析了其工作原理。理论分析表明，同步逆变器能够很好地模拟同步发电机的外特性，实现了逆变器输出电压幅值及频率随负载变化的快速调节。在MATLAB/simulink中进行了模型的搭建与仿真，研究了理论分析的正确性。

1 同步逆变器的工作原理

1.1 主电路拓扑结构

为简化控制电路的设计，现假设逆变器的前端直流电压源为理想电压源，同步逆变器由主电路及控制电路两部分组成，其主电路拓扑结构如图1所示。主电路拓扑结构包括3个LC滤波器在内的左半部分，其中Li（i=a，b，c）在同步逆变器中不仅与Ci（i=a，b，c）起着滤除谐波的作用，还起着模拟同步发电机定子电感的作用；同步逆变器桥臂的中点电压ei（i=a，b，c）、阻抗Li，Ri（i=a，b，c）及电容端电压ui（i=a，b，c）分别模拟了同步发电机的感应电动势、定子阻抗及定子端电压；L1i，R1i（i=a，b，c）模拟了分布式发电系统的线路阻抗；Load为系统所带的负荷，且可以通过KM断路器的开通与闭合实现焊接负荷的切入与切出。

1.2 控制策略分析

1.2.1 虚拟同步发电机控制算法

假定励磁电流if为常数，极对数为1，同时考虑到同步转速ω0附近的速度变化和功率差额关系的同步发电机的二阶数学模型[8-9]如下：

图1 同步逆变器主电路拓扑结构Fig.1The main circuit topology of synchronization inverter

式中Tm、Te、Td为机械、电磁转矩和阻尼转矩；Pm、Pe、Qe为机械功率、电磁有功和无功功率；D0、J0为阻尼系数、转动惯量；Δω、ω、ω0为电角速度差、虚拟角速度、同步角速度；U、e为同步发电机定子端电压、励磁电压；Ls、Rs为定子绕组的电抗及电阻；Mfif为励磁电流与互感的乘积为定子相电流。综合式（1）～式（5），可得虚拟同步发电机控制算法框图如图2所示。

由图2可知，虚拟同步发电机算法的输入量为机械功率Pm、定子三相电流iabc及励磁电流与互感的乘积Mfif，其中定子三相电流直接通过电路采样获取，为了保证该控制算法的可行性，需要一个控制器产生Pm和Mfif，以得到系统所需有功无功功率及励磁电压。现通过模拟同步发电机的一次调频和无功电压调节特性[9]设计虚拟同步发电机的原动机调节模块及励磁电流调节模块。

图2 虚拟同步发电机控制算法Fig.2Virtual synchronous generator control algorithm

1.2.2 虚拟原动机调节

图3为同步发电机的一次调频特性及根据该特性设计的虚拟原动机调节模块。

图3 一次调频特性及虚拟原动机调节框图Fig.3The primary frequency modulation characteristics and virtual prime mover control diagram

图3a为同步发电机的一次调频特性，其中f0、P0为同步发电机空载运行下的频率和有功功率，以同步发电机额定运行下的频率fN为基准频率，当负载增加至Pfed时，同步发电机的频率下降到ffed这个新的稳定值上。频率的偏差量Δf=fN-ffed，有功功率的偏差量ΔP=PN-Pfed，定义kp=Δf/ΔP为同步发电机的有功频率下垂系数，小于0。为了保持输出电压频率的稳定性，将同步发电机的一次调频特性运用到虚拟原动机调节模块，以调节虚拟原动机输出的机械功率，进而调节逆变器的输出频率，其控制框图如图3b所示。

2 仿真验证

为验证上述理论分析的正确性，利用MATLAB/ simulink软件对主电路拓扑及控制策略进行模型的搭建和仿真。主电路参数的设置如表1所示，有功功率下垂系数Kp=-1.667e-5，阻尼系数Dp=30.427，转动惯量J=0.0343，无功电压下垂系数Kq=-1.55e-3。同步逆变器在0～0.3 s带阻性负荷额定功率下运行，0.3 s时负荷发生扰动，分别增加有功1 kW、无功功率1 kV，仿真得到的输出A相电压及三相电流波形如图4所示（为了更好的表现出输出电压与电流之间的相位关系，这里取输出电压为实际值的1/20），输出有功功率及无功功率波形如图5所示，输出单相电压幅值及角频率如图6所示。

表1 仿真参数Tab.1Simulation parameters

由图4可知，同步逆变器能够很好的满足不同负载形式的需求；由图5可知，同步逆变器能够快速且准确的跟踪负荷的变化，满足负荷的要求；结合图5、图6的逆变器输出波形可以看出，输出电压与无功功率之间、输出角频率与有功功率之间分别具有较好的下垂特性，0～0.3 s逆变器工作于额定运行状态下，此时的输出电压幅值及角频率分别稳定在额定值311 V与314 rad/s，0.3～0.6 s分别增加了有功及公共功率，此时输出的电压幅值及角频率均按照下垂特性低于其额定值，但误差小，能够很好的满足负荷的需求。

3 结论

研究了一种基于虚拟同步发电机算法的同步逆变器，确定了同步逆变器的主电路拓扑结构。根据同步发电机的本体数学模型、原动机调节模块及励磁电压调节模块设计了以虚拟同步发电机算法为核心的控制电路。在MATLAB/simulink软件中进行了模型的搭建与仿真。仿真结果显示，该同步逆变器能够较好的满足不同负载形式的需求、快速的跟踪负荷的变化，负荷变动时其输出电压幅值及频率分别与有功功率及无功功率呈现优良的下垂特性，误差较小。

图4 同步逆变器输出电压与电流波形Fig.4Output voltage and current waveform of synchronization inverter

图5 同步逆变器输出有功及无功功率波形Fig.5Output active and reactive power waveforms of synchronization inverter

图6 同步逆变器输出电压幅值及角频率波形Fig.6Output voltage amplitude and angular frequency waveform of synchronization inverter

[1]Tan W S，Hassan M Y，Majid M S，et al.Optimal distributed renewable generation planning：AA review of different approaches[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013（18）：626-645.

[2]顾和荣，赵巍，王雷，等.微电网逆变器电流下垂控制分析与实验研究[J].电力系统保护与控制，2013，41（18）：45-48.

[3]张中锋.微网逆变器的下垂控制策略[D].南京：南京航空航天大学，2013.

[4]罗锐鑫.微型电网运行控制策略的仿真分析[D].成都：西南交通大学，2013.

[5]杨新法，苏建，吕志鹏，等.微电网技术综述[J].中国电机工程学报，2014，34（1）：57-70.

[6]朱德斌，刘芳，徐海珍，等.微电网双运行模式下分布式逆变器的控制策略[J].电力电子技术，2012，46（10）：9-16.

[7]Zhong Q C，Weiss G.Synchronverters：inverters that mimic Synchronous generator[J].IEEE Transactions on industrial electronics，2011，58（4）：1259-1267.

[8]Zhong Q C，George Weiss G.Static synchronous generators for distributed generation and renewable enegy[C]. IEEE/PES Power systems Conference and Exposition，2009：1-6.

[9]Yang Xiangzhen，Su Jianhui，Ding Ming，Li Jinwei，et al. Control strategy for virtual synchronous generator in microgrid，4th International Conference on Deregulation and Restructuring and Power Technies，Weihai，China，2011.

Design of welding synchronization inverter simulating the characteristic of synchronous generator

CHU Xiaorui
（School of Engineering and Technology，Xichang College，Xichang 615013，China）

A control strategy of synchronization inverter simulating the characteristic of synchronous generator is studied in this paper. According to the mathematical model of synchronous generator,prime mover control module and exciting voltage regulator module，a virtual synchronous inverter algorithm is designed.Based on the control strategy，the synchronization inverter can simulate the characteristics of synchronous generator well，and has good sagging external characteristic and adjustable rotary inertia，and the stability and reliability of welding system are improved.Finally，the construction and simulation of system model are conducted in the MATAB/simulink.The simulation results show that with this control strategy the synchronous inverter can rapidly track the change of welding load.

synchronization inverter；virtual synchronous generator algorithm；virtual prime mover adjustment；virtual exciting current adjustment

TG434.1

A

1001-2303（2015）08-0115-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.24

2015-04-30；

2015-06-12

褚晓锐（1977—），男，四川南部人，副教授，硕士，主要从事电力系统及自动化的教研工作。