变频驱动系统电网接口虚拟同步发电机控制技术

吴轩钦谭国俊何凤有李浩

（中国矿业大学信息与电气工程学院徐州221008）

变频驱动系统电网接口虚拟同步发电机控制技术

吴轩钦谭国俊何凤有李浩

（中国矿业大学信息与电气工程学院徐州221008）

网侧功率变换器是变频驱动系统接入配电网的重要接口，随着变频驱动系统渗透率的不断提高，网侧功率变换器对配电网中的影响越发突出。借鉴传统电力系统中的同步发电机数学模型，形成电网接口虚拟同步发电机控制方案，设计具有变频驱动系统自身特性的虚拟调速器和虚拟励磁控制器，保证电网电流的低谐波畸变的同时，满足负荷功率需求，并具有响应电网电压/频率异常事件功能，可在一定程度上提高电网的稳定性。同时模拟同步发电机的转动惯量，提高电网接口的惯性和阻尼，降低变频驱动系统对电网的影响，提升电网对大规模变频驱动系统接入的适应性。为实现电网接口的柔性起动，提出一种虚拟同步预并网控制方法，可实现电网接口柔性离/并网切换，消除起动冲击电流。仿真和实验结果表明了所提控制方案的有效性。

变频驱动电网接口虚拟同步发电机柔性启动

3　引言

随着变频驱动系统工业应用的迅猛发展，其对配电网的容量要求和电能质量的影响越发突出［1，2］。作为发（用）电系统与电网之间的桥梁，电网接口功率变换器拓扑及其控制策略的优劣直接决定了系统的运转方式和性能。首先，电网接口的电能形式变换可能会对电网注入谐波和无功，甚至造成无功冲击，影响电网质量［3-5］。因此需要能与电网实现互动的友好电能转换接口。其次，电网接口需具备良好的动态响应特性以满足负荷功率需求，并具有一定的惯性和阻尼，以减轻负荷对电网的影响，同时避免系统在负荷过渡过程中失稳，提升变频驱动系统的稳定性。

各国学者对如何提高电网接口动、静态性能进行了深入研究。目前，主要有间接电流控制［6］、直接电流控制［7］、直接功率控制（Direct Power Control，DPC）［8-10］以及以模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）［11-13］和反馈线性化控制（Feedback Linearization Control，FLC）［14，15］为代表的基于现代控制理论的控制策略［16］。间接电流控制存在参数鲁棒性差、动态过程电流变化剧烈以及稳定性差的缺点；直接功率控制主要存在开关频率不固定的缺陷以及无功功率波动问题；基于现代控制理论的控制策略存在控制算法过于复杂的问题。目前，基于矢量定向的直接电流控制策略是一种较成熟且应用最广泛的控制方式［5，17，18］。

纵观上述控制策略，传统的变频驱动系统电网接口控制方案尚不满足“智能电网”要求。以电力电子器件为基础的“背靠背（Back-to-back，B2B）”拓扑结构虽能快速响应变频驱动系统负荷功率需求，但其不具备惯性和阻尼特性，易导致系统暂态不稳定，并网模式下电网动态特性变差，甚至伴随电流冲击。同时其不具备配电网的同步机制特性，缺乏参与配电网运行管理的主动性。借鉴传统电力系统的电源（同步发电机）、电网、负荷（同步电动机）具有频率惟一特性，依靠三者之间的同步机制协调抵御外界干扰，具备响应电网电压、频率、有功、无功异常动作能力，自主参与电网的运行和管理机制。因此，若能在未来配电网中的众多变频驱动系统电网接口中引入同步机制，可实现配电网对变频驱动系统的自治运行和主动管理。

由于虚拟同步发电机技术具有电网友好互动特性，该技术目前已成为国际上的研究热点。文献［19］最早提出虚拟同步发电机理念［19］，所提出的“VSG（Virtual Synchronous Generator）”方案可模拟同步发电机的转子惯量及一次调频特性，增加系统的惯性。文献［20］所提出的虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Machine，VISMA）概念通过电网接入点电压、滤波阻抗、励磁电动势信息获取逆变器输出电流指令，实现同步发电机特性的模拟。文献［21］所提出的同步逆变器（Synchronverter）将输出滤波电感、输出线路阻抗等效为定子同步电抗，通过跟踪发电机励磁电动势指令，模拟同步发电机的电磁机械特性及其调频、调压特性。文献［22］提出了虚拟同步发电机，文献［23］提出了虚拟惯性频率控制等。虽然现有部分文献针对分布式并网逆变器采用虚拟同步发电机控制技术进行了研究，但针对交流电机变频驱动系统电网接口相关的虚拟同步发电机控制方案鲜有报道。借鉴传统电网同步控制机制，通过引入虚拟同步发电机控制技术将变频驱动系统电网接口等效控制为同步发电机，可自动实现电能变换接口与电网间的友好交互，并具有响应负荷功率需求功能。

本文提出一种变频驱动系统电网接口虚拟同步发电机控制策略，可使得接口与电网之间的交互电流畸变率较小，且具有为电网提供必要的电压、频率支撑功能，同时良好的动态响应特性可维持恒定的母线电压，提高配电网与变频系统的整体稳定性。此外，将交流电机驱动系统等效为同步发电机负荷，以满足负荷功率需求。为实现电网接口的柔性离/并网切换，提出了一种虚拟同步预并网控制方法，解决电网接口与电网不同步起动引发的电流冲击问题。仿真分析和实验结果验证了所提控制方案的正确性和有效性。

3　电网接口虚拟同步发电机模型分析

1.1电网接口虚拟同步发电机引入

本文以如图1所示的基于B2B三电平电压型逆变器拓扑结构变频驱动系统为研究对象。网侧电能变换接口采用虚拟同步发电机控制策略。因此，从公共耦合点（Point of Common Coupling，PCC）看进去，整个变频驱动系统可等效为同步发电机负荷，自适应响应电网频率、电压扰动，并为电网提供必要的惯性和阻尼。图1所示的电网接口网络电压方程为［3-5］

图1　Back-to-back三电平变频驱动系统Fig.1 The back-to-back three-level inverter drive system

1.2电网接口虚拟同步发电机模型

将图1所示的电网接口等效为虚拟同步发电机，假定同步发电机为如图2所示的一对极理想隐极式发电机，且不考虑磁饱和、铁损、涡流等效应。正方向按发电机惯例定义。为简化分析，发电机模型采用经典的二阶暂态方程表述，同时所有量均折算到定子侧。定子磁链方程为［5］

式中：ψs为定子磁链，分别为定、转子电流，为定子电感，为定、转子互感。电压方程为［5］

式中：es为同步发电机感应电动势，us为定子端口电压，为定子电阻，

图2　电网接口虚拟同步发电机等效模型Fig.2 The virtual synchronous generator equivalent model of grid interface

对比方程（1）和方程（3）可发现，电网接口网络电压方程与同步发电机定子电压方程极为相似。将图1所示的电网接口输出端电压e、PCC点电压u及电网接口电流i等效为同步发电机感应电动势es、定子端电压us及定子电流is，滤波器和线路总电感L与线路杂散电阻R等效为同步发电机定子电感Ls与定子电阻Rs，电网接口直流侧等效为同步发电机提供机械功率的原动机。

图2为电网接口虚拟同步发电机等效模型。由图2可知，在模型等效过程中，虚拟感应电动势（电网接口输出端电压）e为关键变量。根据电机学理论可知，感应电动势e为

同步发电机转子运动方程可表述为

式中：Tm、Te分别为同步发电机机械转矩和电磁转矩；ω、ωg分别为同步发电机电气角速度和电网同步角速度；δ为同步发电机功角；J、D分别为同步发电机转动惯量和阻尼系数。

同时，由式（6）可知，由于转子运动方程中转动惯量J和阻尼系数D的存在使得变频驱动系统电网接口表现出具有对电网电压、频率扰动以及负荷波动过程中机械惯性和阻尼功率振荡的能力。

3　电网接口虚拟同步发电机控制

如图1所示的B2B变频驱动系统电网接口采用虚拟同步发电机控制的目标是实现电网接口主动地根据电网的频率、电压调节其摄取的电网有功和无功功率，以达到与电网主动交互的目的，同时满足负荷功率需求。

2.1虚拟调速器

借鉴传统电力系统同步发电机频率-有功功率调节原理设计如图3所示的电网接口虚拟同步发电机调速器。通过对虚拟原动机转矩Tm调节实现B2B变频驱动系统电网接口有功功率指令的调节。

图3　虚拟调速器Fig.3 The virtual speed controller

如图3所示，虚拟原动机转矩Tm=Tr+Tω，包含负荷需求转矩Tr和频率偏差转矩Tω。其中，由负荷转矩需求单元调节，pr包含虚拟同步发电机直流母线电压比例积分（Proportion Integration，PI）调节器输出和为提升电网接口对变频驱动系统发电机负荷过渡过程有功功率的响应速度而引入的负荷实时功率需求值pmf。Tr可表述为

式中kdcP、kdcI分别为虚拟同步发电机直流母线电压PI调节器的比例系数和积分系数。

频率偏差转矩Tω则根据传统发电机系统频率-功率下垂特性设计的频率调节单元实现。采用比例调节器模拟下垂特性

式中：ω0为电网额定角频率；kω为频率响应系数。图3中频率调节单元输入变量dω为虚拟预并网相位偏差信号，将在第3节予以阐述。

2.2虚拟励磁控制

传统同步发电机通过励磁控制器来调节其无功输出及发电机端口电压。站在以虚拟同步发电机技术控制的电网接口来考虑，虚拟励磁系统应能自动地调节虚拟励磁电流，使电网接口并网运行时能提供相应的无功功率，同时能有效控制并稳定端口电压，以提高电网系统的稳定性。对此，设计了如图4所示的包含无功调节单元、电压调节单元及虚拟感应电动势调节单元的虚拟同步发电机励磁控制器。其中，无功调节单元引入比例调节器模拟传统发电机系统电压-无功下垂特性，输出为

式中：Qn为电网接口无功功率指令；Q为电网接口输出瞬时无功功率；kQ为无功功率调节系数。其中，Q可依据瞬时无功功率理论计算

式中ugα、ugβ和iα、iβ分别为电网接口PCC点电压和电流在αβ坐标轴上的分量。

图4　虚拟励磁控制器Fig.4 The virtual excitation controller

为稳定虚拟同步发电机端电压，引入等效于同步发电机自动励磁调节效果的电压调节单元，其输出为

式中：Un为电网接口端电压期望值；U为电网接口端电压实际值；kU为电压调节系数。同时，在电压调节单元输入变量中的d u为虚拟预并网电压幅值偏差信号。

由无功调节单元与电压调节单元共同作用得到的电压偏差输出指令ΔE=ΔEQ+ΔEU送入PI调节器以产生虚拟励磁电流偏差信号Δif为

式中kifP、kifI分别为虚拟励磁电流PI调节器的比例系数和积分系数。本文在此引入比例-积分控制策略可实现电网接口并网运行时无功功率及端口电压的稳态无静差跟踪，抑制动态过程无功响应冲击。同时用以实现第3节所述的虚拟预并网阶段端口电压幅值无静差跟踪PCC点电压。

利用励磁电流偏差信号Δif及虚拟感应电动势单元模拟式（5）所示的同步发电机感应电动势期望幅值Er与励磁电流if之间的磁电关系

式中：ifn为虚拟励磁电流额定值；kE为励磁调节系数。

根据上述分析可知，电网接口采用虚拟同步发电机控制方案在无功功率调节方面完全不同于传统控制策略。其在保证无功功率跟踪的同时，还能参与配电网电压调节，根据电压的偏差为其接入的电网提供必要的无功支撑。

2.3虚拟同步发电机控制技术

借鉴传统同步发电机相关控制理论，建立如上所述的电网接口虚拟调速器可满足变频驱动系统负荷有功功率需求，同时响应电网运行频率异常事件；虚拟励磁控制可准确跟踪无功功率、电压指令，同时响应电网运行电压异常事件。

根据式（3）、式（5）、式（6）构建如图5所示的电网接口虚拟同步发电机电磁和机械模型，其中根据瞬时功率理论折算出虚拟同步发电机瞬时有功功率，进而可将虚拟电磁转矩Te表述为

根据机械模型可得虚拟同步发电机转子位置角θ为

式中Δω为角频率偏差信号。

图5　虚拟同步发电机模型Fig.5 The virtual synchronous generatormodel

通过虚拟励磁控制系统调节得到的暂态电动势期望值Er和测量获得的PCC点电压ug，根据式（3）所示的电磁模型可得虚拟同步发电机电流期望值ir，并作为电流内环调节系统的指令值。为降低接口与电网之间的交互电流i总谐波畸变率，以满足电网友好的功能，电流内环采用PI调节器无静差控制策略，并以虚拟同步发电机转子位置角θ作为同步旋转坐标系定向角，可保证并网运行电流的精确跟踪，实现电网交互电流的低谐波、高功率因数运行。

3　柔性离/并网切换控制

电网接口通常具有离网和并网双运行模式特性。针对变频驱动系统，电网接口无需具备为离网运行模式下的局部电网提供电压和频率支撑功能，因此只需研究电网接口离/并网切换过程特性。通常情况下，变频驱动系统电网接口离/并网切换过程为：将如图1所示的PCC点静态开关闭合，进入直流侧支撑电容预充电阶段，电网接口PWM脉冲处于封锁状态，在此过程中依靠预充电阻抑制电流冲击。预充结束后，待电网接口收到起动信号，开放PWM脉冲，进入真正并网运行状态。

在上述离/并网切换过程中，基于虚拟同步发电机控制的电网接口处于动态过渡过程中，由于电压和频率的调节作用，其运行电压幅值、相位与电网电压之间可能存在偏差。因此电网接口若在不合时宜时刻起动将导致PCC点两侧电压存在较大的瞬时值偏差，可能会引起过大的冲击电流，导致电压波形畸变，恶化电能质量，甚至引发电网接口过电流保护。因此需寻求一种有效地无缝切换控制技术。对此，本文提出一种虚拟预并网同步控制策略，实现变频驱动系统电网接口柔性离/并网切换控制。

如图6所示，PCC点电压ug、虚拟感应电动势er分别以ωg、ω角速度在空间旋转，在虚拟预并网期间调节er幅值和相位，使其与ug重合，即可实现电网接口的柔性起动。通过软件锁相环（Software Phaselocked Loop，SPLL）得到ug空间位置角θg，同时将d轴定向于ug矢量方向，可得通过控制er的d、q轴分量实现er对ug的同步跟踪。根据上述原理可得如图7所示的虚拟预并网同步控制器。由图2及式（4）可知，er与ug相位差180°，相位跟踪环节中取反号-1。

图6　虚拟预并网同步控制矢量图Fig.6 The virtual pre-network synchronization control vector

图7　虚拟预并网同步控制器Fig.7 The virtual pre-network synchronization controller

结合图3与图4所述的虚拟调速器和虚拟励磁调节器，为实现虚拟感应电动势幅值和频率的跟踪，虚拟调速器和励磁调节器的输入指令应切换为虚拟预并网同步控制器的输出指令d u、dω，开关Sc闭合。预并网期间，电网接口处于脉冲封锁状态，图3虚拟调速器负荷转矩需求单元和图4无功调节单元处于非使能状态，待起动时刻断开开关Sc。综上所述，具有柔性离/并网切换功能的变频驱动系统电网接口虚拟同步发电机控制策略如图8所示。

图8　变频驱动系统电网接口虚拟同步发电机控制框图Fig.8 The virtual synchronous generator control block of variable frequency drive system grid interface

3　仿真与实验分析

4.1仿真分析

为验证本文提出的B2B变频驱动系统电网接口虚拟同步发电机控制方案的有效性，搭建如图8所示的仿真模型进行验证，B2B系统关键参数见表1。仿真开始阶段封锁电网接口PWM脉冲，待预充过程结束后，在0～0.1 s期间虚拟预并网同步控制单元调节虚拟感应电动势er跟踪PCC点电压ug，仿真结果如图9所示。在此期间，虚拟调速器、虚拟励磁控制器仅投入频率调节单元和电压调节单元，由于电网接口PWM脉冲处于封锁状态，因此虚拟预并网同步控制单元中PI调节器的参数可设置较大值，以加快跟踪过程。从图9可看出经过短暂的调节过程，虚拟感应电动势幅值、相位快速逼近电网电压，er与ug在0.1 s之前即可实现完全重合。

表1　系统关键参数Tab.1 Key parameters of the system

图9　虚拟预并网同步控制仿真波形Fig.9 The simulation waveform of virtual pre-network synchronization control

在0.3 s时，直流侧母线接入50Ω电阻模拟变频驱动系统突加负荷工况，0.45 s时切除电阻模拟突减负荷工况。从图10a可看出，在负荷突变过程中，直流母线电压udc出现波动，在负荷功率前馈控制作用下，经历0.05 s的调节过程随即恢复到700 V。图10b为负荷突变过程电网接口电流，从图中不难发现，在惯性和阻尼作用下，三相接口电流变化平缓，在满足负荷需求的基础上，减轻了负荷对电网的影响。图10c为虚拟同步发电机感应电动势Er和旋转角速度ω的响应情况。从图中可知，动态过程中Er和ω都具有明显的惯性特征，保证电网接口的运行更为稳定、可靠。如图2所示，本文采用虚拟同步发电机控制策略时电气量的参考方向依据发电机惯例，实际的变频驱动系统是发电机负荷，因此在突加负荷过程中，图10d所示的虚拟同步发电机机械转矩和电磁转矩为负数，虚拟同步发电机从电网吸取能量。当负荷突加时，虚拟调速器调节机械转矩Tm指令，在虚拟同步发电机技术控制作用下电磁转矩Te跟随变化，导致旋转角速度ω降低，这与传统同步发电机系统有功功率-频率之间的下垂特性相一致。在此过程中，转矩响应在惯性和阻尼的作用下变化平缓，实现电网接口作为电网和负荷之间的桥梁具有灵活、柔性的惯性缓冲功能。为避免变频驱动系统电网接口对电网注入无功，设置无功功率指令Qn为0 var。由图10e可看出，电网接口可快速响应负荷有功功率需求，并跟随无功功率指令，可向电网提供必要的功率支撑和无功补偿。同时所提控制策略能为系统提供必要的阻尼和惯性，使得电网接口具有和同步发电机相媲美的控制性能。结合图10c可知，电网接口的有功功率和无功功率之间的动态响应通过感应电动势Er和旋转角速度ω之间实现耦合，这与传统的同步发电机具有一致性。

图10　并网运行仿真波形Fig.10 The simulation waveform in network operation

4.2实验验证

利用江苏省电力传动与自动控制研究中心变频驱动系统先进并网逆变器实验平台对所提控制策略进行实验验证。实验平台如图11所示，系统参数如表1所示。实验过程与仿真相似。图12为虚拟预并网控制阶段虚拟感应电动势与PCC点电压实验波形。采用数字信号处理器时受字节影响，虚拟预并网同步控制单元中PI调节器的参数在保证准确跟踪前提下可适当减弱。从图中可看出虚拟感应电动势era在0.1 s时间间隔内即可完全跟踪PCC点电压uga。

图11　实验平台系统图Fig.11 The system diagram of experimental platform

图12　虚拟感应电动势跟踪实验波形Fig.12 The experimentalwaveform of virtual induction electromotive force tracking

在0.1 s时，虚拟并网过程结束，控制开关Sc断开，同时开放PWM脉冲。采用图8所示的控制策略对电网接口进行调节，其中B2B电网接口空载运行，即直流侧电容后端未接入负荷。对比分析图13a、图13b可知，采用虚拟预并网同步控制可使得直流母线电压响应更为平缓，超调量更小，稳态时直流母线电压udc维持在期望值700 V。同时消除了电网接口电流冲击，实现变频驱动系统电网接口柔性离/并网切换控制。虚拟同步发电机控制技术可为系统模式切换过程提供必要的惯性和阻尼，切换过程更为稳定、可靠。

图13　电网接口电流对比仿真波形Fig.13 Current comparison simulation waveform of grid interface

变频驱动系统电机对拖平台中直流电机作为负载电机，由6RA70恒转矩控制方式驱动。图14为负荷波动情况下虚拟同步发电机响应实验波形。由图14a和图14b的动态响应波形可看出，虚拟同步发电机直流母线电压变化约为20 V，动态恢复时间约为1 s，具有良好的动态特性，可快速响应负荷波动。同时电网接口交互电流保持良好的正弦度，稳态时以单位功率因数运行。

图14　虚拟同步发电机动态响应实验波形Fig.14 The dynamic response experimentalwaveform of virtual synchronous generator

针对变频驱动系统工况特点，由负载电机模拟恒转矩负荷特性，变频驱动电机速度指令由零速加速，然后匀速运行，再减速、低速爬行，最终再到停车的全程S曲线。由图15可看出基于虚拟同步发电机技术控制的电网接口可快速响应负荷有功功率需求，并跟随无功功率指令，与仿真结果一致。同时电网接口输入电流基本接近正弦，并以单位功率因数方式运行。图16为变频驱动系统稳态额定负载工况下电网接口电流谐波含量，由检测结果可知，最大值谐波畸变率为3.4%，有效降低了变频驱动系统对电网造成的谐波污染。

图15　虚拟同步发电机全程运行实验波形Fig.15 The entire running experimentalwaveform of virtual synchronous generator

图16　电网接口电流总谐波含量Fig.16 The current total harmonic content of grid interface

3　结论

本文引入虚拟同步发电机概念，研究了一种可主动参与电网电压、频率调节的变频驱动系统电网接口控制策略。通过仿真和实验验证了所提控制策略的可行性和有效性。得出以下结论：

1）B2B变频驱动系统电网接口采用虚拟同步发电机控制技术具有良好的负荷功率需求特性，提高了电网对变频驱动系统的适应性。同时，虚拟同步发电机的惯性和阻尼特性，克服了传统网侧变流器无惯性给电网带来的冲击，具有惯性缓冲特性，可有效提升电网接纳能力。电网接口电流低谐波畸变率可有效降低变频驱动系统对电网电能质量造成的不利影响。

2）电网接口采用虚拟同步发电机技术，具有传统同步发电机的外特性，可实现与电网的友好交互，为电网异常事件提供必要的有功、无功支撑，提高电网稳定性。

3）虚拟同步发电机控制技术可为系统模式切换过程提供必要的惯性和阻尼，虚拟预并网同步控制策略消除了起动电流冲击，实现变频驱动系统电网接口柔性离/并网切换控制。

4）本文所提出的B2B变频驱动系统电网接口虚拟同步发电机控制技术概念清晰，算法简单，便于系统设计和实现。

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Virtual Synchronous Generator Control Scheme of Grid Interface for Variable Frequency Drive System s

Wu Xuanqin Tan Guojun He Fengyou Li Hao
（School of Information and Electrical Engineering China University of Mining and Technology Xuzhou 221008 China）

The grid-side power converter is an import interface to access the distribution network for variable frequency drive systems.With the increasing penetration of variable frequency drive systems，the impact of the grid-side power converter on the distribution network becomes much more important.Firstly the virtual synchronous generator control scheme is formed in accordance with the synchronous generatormodel of traditional power systems，while the virtual speed controller and the virtual excitation controller are designed with the characteristics of variable frequency drive systems，which ensures low harmonic distortion of grid current as well asmeets the load's power need.The system can also respond to the abnormal grid voltage/frequency，which can improve the stability of the grid to a certain degree.Meanwhile，simulating themoment inertia of the synchronous generator can improve the inertia and damping of the grid interface and reduce the impact of variable frequency drive systems on the grid，and thus enhance the adaptability of the grid during the large-scale variable frequency drive system access.To achieve the flexible start of the grid interface，a virtual synchronization pre-connection controlmethod is proposed，which can realize the flexible on/off switching of the grid and eliminate the inrush current.The simulation and experimental results show the effectiveness of the proposed control scheme.

Variable frequency drive，grid interface，virtual synchronous generator，flexible start

TM464

吴轩钦男，1983年生，博士，讲师，研究方向为大功率交流传动及电力电子变流技术。（通信作者）

2015-01-02改稿日期2015-10-10

谭国俊男，1962年生，博士，教授，研究方向为大功率交流传动及电力电子变流技术。