虚拟同步发电机用双向直流变换器研究

王军章，兰 征

（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007）

0 引言

新能源分布式发电技术是解决当今世界能源问题的重要技术方法[1-2]，一般需要通过并网逆变器将新能源分布式发电产生的不同形式的电能变换成符合国家标准的电能形式才能接入电网[3]，但基于常规控制策略的并网逆变器与传统的同步发电机相比，缺乏同步功能[4]，稳定性差[5]，且无法参与电网调节[6-7]。

众多分布式电源接入电网会导致电力系统控制的失调[8-9]，不利于电网稳定运行，为使大规模分布式发电适应现有电力系统，国内外学者提出通过先进控制方法使得并网逆变器的输出特性和传统同步发电机的输出特性等效[10-13]，该技术称为VSG（虚拟同步发电机）技术，可以使分布式电源也具有传统的同步发电机的大阻抗、大惯量、调频、调压等特点，从而实现分布式电源与电力系统的完美融合。

目前国内外对VSG 进行了大量的研究，文献[14]从运行控制、稳定性分析以及典型应用等方面综述了VSG 技术的关键问题和研究现状。 文献[15]提出了VSG的并网和离网2 种运行状态之间的无缝切换控制策略，同时指出，直流母线电压的稳定和足够的能量缓冲是影响虚拟同步机输出性能的关键。因此，VSG 技术更适用于含储能单元的分布式能源与电网之间的连接。

电力系统具备调频、调峰能力的发电厂一般都拥有足够的备用容量。然而，光伏等分布式能源由于存在发电间歇性和不稳定性[16]，采用VSG技术也无法为调频和调峰提供足够的备用容量，甚至易因光照变换引起控制失调，导致与电网解列，这将严重影响VSG 和电网的稳定性[17]。因此需要增加储能单元来为VSG 的调频、调峰提供能量补给和吸收，保障分布式能源对电网内负荷供电的稳定性[18]。而储能单元与直流母线的能量交换必须依靠双向直流变换器完成。作为储能单元和直流母线的中间环节，双向直流变换器一方面为VSG 提供稳定的直流母线电压，另一方面实现对储能电池的充放电管理，保证储能电池能够可靠、高效地储存和释放电能。

本文详细分析了适用于VSG 的双向直流变换器，研究了拓扑结构，并设计了相应的控制策略，利用EMTDC/PSCAD 仿真验证了该双向直流变换器应用于VSG 的有效性和控制策略的正确性。

1 VSG 的结构与原理

通常VSG 包含分布式电源、直流母线和同步逆变器，如图1 所示，即分布式电源的能量流入直流母线，然后通过同步逆变器并网。此种组成结构简单，易于控制和实现，适合于输出稳定的分布式电源，如燃料电池、微型燃气轮机等。此种组成的缺点在于分布式电源不稳定时，直流母线电压的偏差易引起同步逆变器控制的失调，甚至会导致与电网解列，严重影响VSG 的稳定性。

图1 VSG 的组成结构

图2 在典型VSG 基础上加入了双向直流变换器和储能单元，利用双向直流变换器稳定直流母线电压，当分布式电源大幅减少时，储能单元通过双向直流变换器释放能量；当分布式电源大幅增加时，储能单元通过双向直流变换器吸收能量；当分布式电源稳定时根据储能单元的状态对储能单元进行充电。这样很好地解决了直流母线电压不稳定的问题，适合于任何分布式电源，包括光伏、风机等输出不稳定的电源。该VSG 组成中还增加了中央控制系统，用于协调分布式电源、并网逆变器和双向直流变换器的功率，保证VSG 并网的稳定性。

图2 加入母线电压稳定单元的VSG 结构

VSG 是在同步逆变器的控制环节中引入同步机的转子运动与电磁暂态方程，可以将同步逆变器输出等效为功角和幅值均可控的电压源。让同步逆变器的输出特性来模拟同步发电机，从而使得同步逆变器也具有转动惯量，可自动调压、调频。具体模拟过程如下。

VSG 的机械特性方程可表示为：

式中：D 为定常阻尼系数；J 为同步电机转动惯量；ω 为机械角速度；ω0为额定角速度；Tm和Te分别为机械转矩和电磁转矩，其中Tm=Pm/ω，Te=Pe/ω。

由式（1）可得有功功率与角频率之间的关系表达式为：

式（2）—（4）中：θ 为电角度；f 为VSG 的机端电压频率；f0为交流电网额定频率；kf为频率响应系数；Pm为分布式电源的输出功率，由额定功率和频率响应调节功率ΔPf两部分组成。

由同步发电机的励磁调节原理可得出VSG的输出电压幅值为：

式中：kv为调压比例系数；E0为空载电势；U 和Ue分别为输出端电压的实际值和参考值。

结合式（3）和式（5）可得VSG 的输出电压为：

由同步电机的电路模型，可得输出电流指令iref为：

式中：R 和L 分别为电网阻抗的等效电阻和电感；uac和e 分别为VSG 输出电压参考值和实际值。

由于同步逆变器并网时的输出电压由电网决定，所以指令电流的大小主要控制同步逆变器无功功率，指令电流的相位主要控制同步逆变器的有功功率。DC/AC（直流-交流）同步逆变器的控制环节中，使用PR（比例谐振调节器）来跟踪指令电流值，就可以使光伏等分布式发电实现VSG功能。

为了使电网的频率、电压稳定， 必须使得VSG 的输出功率跟随电网状态做出相应调整，所以当分布式电源输出能量减少，不足以支撑虚拟同步机输出功率时，双向直流变换器控制储能单元释放能量；当分布式电源输出能量增加，超过虚拟同步机所需输出功率时，双向直流变换器控制储能单元吸收能量，因此双向直流变换器和储能单元是虚拟同步机稳定运行的必要组成部分。

2 双向直流变换器拓扑与控制

双向直流变换器是可以双象限运行的直流-直流变换器，能够根据需要实现能量的双向流通，功能上相当于2 个单相的直流变换器。与隔离型的变换器相比，不隔离的直流变换器电路简单，采用的元器件较少。同时，为了满足VSG 大功率和输出性能的要求，采用三相交错并联型结构的双向直流变换器，该结构拥有输出电流谐波小、效率高、开关电流应力小等优点，其拓扑结构如图3 所示。

2.1 互补PWM 移相调制

图3 三相交错并联的双向直流变换器

双向直流变换器同一桥臂的上下2 个开关器件既可以工作在独立的PWM（脉冲宽度调制）控制方式，也可以工作在互补PWM 控制方式[19]。独立的PWM 控制方式时，同一桥臂的2 个开关器件不同时导通，相当于Buck 电路和Boost 电路的反并联组合，电感电流较小时会出现电感电流断续状态。然而，互补PWM 控制方式是同时控制双向直流变换器同一桥臂上下开关器件同时动作，即互补导通。在电流较大时，2 种控制方式效果均可等效为Buck 电路或者Boost 电路；在电流较小时，互补PWM 控制方式电感电流连续。因此，此处更适合采用互补PWM 控制方法。

采用互补PWM 控制方式，一个开关周期内电感电流正负交替出现，缩短了切换的过渡过程，提高了响应速度。此时，双向直流变换器的上下开关管开关信号的逻辑相反。即开关器件S1，S3，S5分别与S2，S4，S6互补导通，各开关器件并联的二极管都做续流二极管用，此时三相交错并联双向直流变换器工作于统一电路模式。此种模式下，母线电压是随着外接负载而波动的，系统根据母线电压的波动来自动调整能量流向。VSG 与双向直流变换器系统整体控制框图如图4 所示。

针对双向直流变换器的控制采用了电压电流双闭环控制策略，电压外环经过PI 控制器输出参考电流信号iL_ref，电流内环实现对参考电流iL_ref的快速跟踪。为了实现母线电压宽范围控制，在电压外环加入了滞环比较器，滞环宽度U1体现了稳压范围。此方法可以使双向直流变换器在不会频繁动作的情况下，将直流母线电压稳定在[U0-U1，U0+U1]范围内。在产生PWM 调制波这一过程中，选用了更具优势的互补PWM 控制方式。

独立PWM 控制和互补PWM 控制时电感电流波形如图5 所示。设定0.15 s 之前工作在Buck状态，0.15 s 后系统由Buck 状态切换到Boost 状态，可以看出，稳态时，独立PWM 控制下，电感电流断续；互补PWM 控制下，电感电流连续，电感电流平均值的正负决定了能量流动的方向。切换过程中，互补PWM 控制下的系统响应快，电感电流比独立PWM 控制下的电感电流更快地恢复到稳态。因此在能量双向交互模式下，采用互补PWM 控制会取得更好的控制效果。

VSG 中双向直流变换器主要功能是通过能量补峰或吸收来维持直流母线电压的稳定，当负载变动频繁时，双向直流变换器需要频繁地进行能量的双向流动，而互补PWM 控制在功率流向切换频繁时有着显著的优越性，因此互补PWM 控制方式与独立PWM 控制方式相比更适用于VSG。

2.2 母线电压宽范围控制

为了将直流母线电压维持在一定的范围，保障VSG 的稳定性，双向直流变换器采用母线电压宽范围的控制方法。该方法具有动态性能良好以及双向直流变换器无需频繁启动等优点。 当VSG 工作在负载和电网比较稳定的状态时，直流母线电压只会在较小的范围内波动，并不会影响VSG 的稳定性，当然也不需要储能单元和双向直流变换器的调节。但当电网或负载的波动范围较大，极易造成虚拟同步机和电网失步，就需要利用储能单元和双向直流变换器配合的快速能量变换作用，对直流母线电压进行实时调节，即双向直流变换器实现了能量的瞬时补峰功能。考虑到VSG 在瞬间启动和卸放时，会对电网带来巨大的冲击，也可能引起器件的损坏、破坏电网的稳定性，此时需要双向直流变换器和储能单元配合对直流母线电压进行缓冲，即实现双向直流变换器对VSG 的瞬时启动和能量卸放辅助功能。综上所述，双向直流变换器采取了母线电压宽范围控制策略，使直流母线电压稳定在[U0-U1，U0+U1]范围内，本文U1取U0的5%。

图4 VSG 与双向直流变换器的系统控制框图

图5 不同调制方式下电感电流波形

双向直流变换器控制流程如图6 所示：

（1）VSG 启动时，双向直流变换器先启动，建立稳定的电压U0。

（2）同步逆变器和分布式电源分别并联在直流母线上。

图6 双向直流变换器工作流程

（3）分布式电源逐渐稳定后，通过双向直流变换器的母线电压宽范围控制，使直流母线控制在范围内。

（4）若分布式能源能够与同步逆变器达到功率平衡，即母线电压稳定，则双向直流母线电压处于等待状态。

（5）若电网或负载只有较小波动，直流母线电压仍然在[U0-U1，U0+U1]范围内波动，双向直流变换器仍然处于等待状态。

（6）若电网或负载有较大幅波动，母线电压超出[U0-U1，U0+U1]的范围时，双向直流变换器进行能量的瞬间补峰和卸放，使得母线电压稳定在[U0-U1，U0+U1]的范围。

母线电压宽范围控制方式下，双向直流变换器可以作为VSG 系统的启动和卸放辅助设备，以及能量的瞬时补峰装置。同时储能单元和双向直流变换器不会频繁动作，极大提升了储能和双向直流变换器的开关器件寿命，可降低系统维护成本。

3 仿真分析

为验证本文所提用于虚拟同步机的三相交错并联型双向直流变换器拓扑结构及其控制策略的正确性和有效性，搭建了基于EMTDC/PSCAD 的仿真模型。参照主电路拓扑（如图3 所示），具体仿真参数为：每相输入电感L=1 mH，蓄电池额定电压为216 V，蓄电池端电容值C1=235 μF，母线端电容值C2=705 μF，动态过程各工况如下文所述。

（1）仿真工况1

双向直流变换器先后工作于启动、等待和能量卸放3 种模式。其中双向直流变换器启动时为VSG 提供启动电压；当母线电压恒定时，双向直流变换器进入等待状态，蓄电池不与系统交换能量；当分布式电源能量过剩时，双向直流变换器进入能量卸放模式，传输系统能量至储能蓄电池，避免母线电压提升，维持母线电压760 V 恒定。

工况1 的动态过程波形如图7—11 所示，假定蓄电池放电时双向直流变换器传输功率为负，充电时双向直流变换器传输功率为正。从图7 可以看出，启动阶段双向直流变换器通过蓄电池放电，为VSG 提供240 V 恒定的直流电压，同时由于蓄电池放电，蓄电池电压稍低于额定电压216 V；当系统稳定母线电压恒定为760 V 时，直流变换器不动作，处于等待阶段；当直流母线电压波动抬升超过限值时，通过蓄电池储能，达到直流母线能量卸放目的，维持母线电压恒定。从图8可以看出直流变换器由等待阶段向能量卸放阶段切换时的母线电压变化细节；从图9 可以看出，能量卸放蓄电池以216 V 额定电压恒压充电，等待模式至能量卸放的切换过程只需0.04 s 即可达到稳定。从图10、图11 可以看出双向直流变换器启动模式时控制蓄电池放电，释放功率；等待模式时蓄电池不充电也不放电，蓄电池与系统无功率交换；能量卸放模式时，蓄电池充电，蓄电池从系统吸收功率。

（2）仿真工况2

双向直流变换器先后工作于启动、等待和能量补峰3 种模式。启动和等待模式如前文所述，当分布式电源能量不足以支撑VSG 工作时，双向直流变换器进入能量补峰模式，使蓄电池释放能量，传输至直流母线，避免母线电压跌落，维持母线电压恒定。

图7 母线电压和蓄电池电压

图8 母线电压局部放大

图9 蓄电池电压局部放大

图10 蓄电池电流

图11 双向直流变换器传输功率

工况2 的动态过程波形如图12—16 所示，从图12 可以看出启动阶段至等待阶段动态过程同工况1，而当直流母线电压波动跌落超过限值时，通过蓄电池放电释放能量，进行能量补峰，达到维持直流母线电压恒定的目的。从图13 可以看出，母线电压升高超过限值后，经历0.2 s 重新恢复稳定；从图14 可以看出，填谷阶段蓄电放电，电压比等待阶段有所跌落，等待模式至能量补峰的切换过程只需0.01 s 即可完成。从图15、图16 可以看出，启动阶段时双向直流变换器控制蓄电池放电，释放功率；等待阶段蓄电池不充电也不放电，蓄电池与系统无功率交换；能量补峰，蓄电池再次放电，释放功率。

图12 母线电压蓄电池电压波形

图13 母线电压切换放大

图14 蓄电池电压切换放大

图15 蓄电池电流波形

图16 双向直流变换器传输功率

通过对以上2 种工况的分析可以发现，在整个工作周期中，直流母线电压超过限值后又能很快恢复至稳定范围，双向直流变换器为VSG 提供了很好的母线电压支撑。

4 结语

本文详细分析了适用于VSG 的双向直流变换器，研究了其拓扑结构、互补PWM 移相调制和母线电压宽范围控制策略，搭建了基于EMTDC/PSCAD 的仿真模型，验证了该双向直流变换器应用于VSG 的正确性和可行性。