基于虚拟同步电机控制的电力电子变压器系统仿真与实验

管之乐

（南京航空航天大学，江苏南京）

电力电子变压器（PET）对提升分布式能量的利用效率、提高配电网络节点潮流控制水平有积极帮助，在智能电网建设背景下得到了广泛应用。从实际应用效果来看，电力电子变压器受到电路结构的限制，无法像同步电机那样保证多个交流接口的同步运行，如何进一步提升其控制效率成为重要研究课题。将虚拟同步电机控制技术应用到电力电子变压器系统中，根据电力电子变压器的拓扑结构、电路组成、应用场景等采取不同的控制策略，有利于提高低压直流接口、高压直流接口的柔性，降低对配电网的冲击影响，在提高控制响应速度和控制精度的同时，还能抑制电流谐波，提升电能质量。

1 电力电子变压器系统仿真模型的构建

本文基于PACAD/EMTDC 仿真平台搭建了电力电子变压器系统的仿真模型。该模型利用虚拟同步电机实现对高压和低压交流接口的控制。高压交流接口位于该系统的主电路中，经过一个单相3H 桥级联型AC/DC 交流器后接入10kV 配电网；低压交流接口位于该系统的控制电路中，经过一个双向全桥DC/DC 变流器后接入分布式储能装置[1]。仿真系统的电源选用理想电压，在低压侧预留直流接口，为用电设备提供直流负荷。该仿真系统除了接入交流负载外，还接入了光伏发电装置、分布式储能装置。仿真参数设计如下：

（1） 主电路仿真参数。根据电力电子变压器系统的拓扑结构，主电路主要由高压交流、低压交流2种接口组成。高压交流接口的单相输入电压为10 kV，频率为50 Hz，滤波电感为3 mH，H 级联模块数量为3 个，稳态总电流谐波含量小于3%，稳态总电压谐波含量小于5%。低压交流接口的输出电压为380 V，频率为50 Hz，额定输出功率为10 kVA，三相滤波电感5 mH，三相滤波电容15 μF。

（2） 控制电路仿真参数。在设计电力电子变压器系统的控制电路时，需要重点关注的参数有有功-频率下垂系数、无功- 电压下垂系数以及阻尼系数等。保证参数选取的合理性有助于保证电压调节的稳定性。这里以有功- 频率下垂系数为例，设定条件为“在功率变化率达到100%后，要求频率变化范围控制在额定功率±0.5%以内”，计算公式如下：

式中，P 表示额定功率；f 表示额定频率；Δf 表示额定频率的最大变化率，即50×0.5%=0.25 Hz。转动惯量系数（L）与有功- 频率下垂系数（K）呈正比，两者之间的关系为：

式中，γ 表示时间常数。控制电路中高压交流和低压交流接口控制器的参数设定如表1 所示。

表1 控制电路参数设计

2 电力电子变压器系统仿真模型的仿真实验

2.1 高压交流接口电压支撑仿真

正常情况下，配电网由于负载变化等因素的影响电压幅值也会出现小范围的波动。此时电力电子变压器会计算自身输出电压幅值（V1）与配电网瞬时电压幅值（V2）之间的差值。如果存在“V1＞V2”的情况，则吸收无功功率，最终达到“V1=V2”的平衡状态；相反，如果存在“V1＜V2”的情况，则输出无功功率，直到达到“V1=V2”的平衡状态[2]。为了验证电力电子变压器仿真模型高压交流接口的稳压效果，开展了仿真实验。实验内容如下：在实验开始的第0.8 s，将配电网的电压幅值降低10%；在实验开始的第1.2 s，将配电网的电压幅值升高10%。模拟配电网的电压幅值波动。观察在实验期间电力电子变压器与配电网交换无功功率的仿真情况，实验结果如图1、图2所示。

图1 配电网的电压变化情况

图2 无功功率仿真结果

由图1、图2 可知，正常情况下（0～0.8 s）配电网的电压幅值在[-14 kV,14 kV] 区间内以正弦波变化；在本次实验的第0.8 s 将电压幅值下调10%后，电力电子变压器向外输出一定的无功功率，使配电网的电压升高，大约经过0.1 s 后配电网的电压重新恢复稳定，此时电力电子变压器不再发出无功功率。在本次实验的第1.2 s 将电压幅值上调10%后，电力电子变压器吸收一定的无功功率，使配电网的电压降低，大约经过0.1 s 后配电网的电压重新恢复稳定，此时电力电子变压器吸收的无功功率变为0。根据图3 无功功率的变化曲线可知，当配电网电压幅值出现波动时，电力电子变压器可以在0.1 s 左右完成稳压调节，响应较为迅速，并且稳压效果较好，发挥了保证配电网的稳定和安全运行的效果[3]。

图3 并联仿真模型

2.2 高压交流接口频率支撑仿真

电力电子变压器通过高压交流接头与同步电机连接，可以改变低压侧储能装置的功率，进而满足低压侧交流系统负荷功率需求。为了验证高压交流接口的能力调节效果开展了仿真实验。实验内容如下：保持电力电子变压器的低压侧交流系统负荷功率不变，在实验的第0.8 s 时将配电网的频率下降0.5%，在第0.9s 时恢复为正常；在第1.8 s 时间配电网的频率上调0.5%，在第1.9 s 时恢复为正常。观察配电网的频率变化情况，结果如下：

（1） 在实验开始后的0～0.8 s 中，配电网的频率稳定在50 Hz，此时电力电子变压器从配电网中吸收的功率（P1）与负荷功率（P2）存在“P1=P2”的关系，意味着当前的储能功率ΔP 为0。

（2） 在实验开始后的第0.8 s，配电网的频率下降为49.75 Hz。这种情况下，电力电子变压器为了达到功率支撑效果，会主动介入配电网频率调节。从仿真数据上来看，P1 下降了大概100 W，而低压侧系统负荷功率需求P2 在160 W 左右。为了达到低压系统的功率消耗，缺少的60 W 功率需要由电力电子变压器直流接口处的储能模块提供。此时储能模块需要向外释放60 W 功率，即ΔP 为60 W，从而补齐功率缺口、满足负荷需求。

（3） 在实验开始后的第0.9 s，配电网的频率重新恢复为50 Hz，相应的ΔP 也变为0。

在实验的第1.8 s 将配电网的频率上升为50.25 Hz，电力电子变压器参与频率调节的实现方式与上文基本一致，不再赘述。通过本次仿真实验可知，电力电子变压器的高压交流接口参与配电网频率调节时，会在配电网频率发生小范围波动后主动与配电网交换有功功率，并利用低压侧直流接口处的储能装置吸收或输出一定的功率，保证了低压侧系统负荷功率的动态平衡，达到了频率支撑目的[4]。

2.3 低压交流接口并联运行仿真

为了掌握电力电子变压器在并联运行模式下，低压交流接口的功率分配特性，搭建了并联仿真模型。该模型中，有2 个并联运行的高压交流接口PET1 和PET2，两者采用相同的虚拟同步电机控制参数，模型结构如图3 所示。

仿真实验内容为：在实验开始的前0.5 s 内，使低压交流侧系统空载运行，此时系统的有功和无功功率为0；在实验的第0.5～1.0 s 内，将有功功率上调为3.0 kW，无功功率仍然为0；在实验的第1.0～1.5 s内，将有功功率上调为4.0 kW，无功功率保持为0；在实验的第1.5～2.0 s 内，将有功功率下调10 kW，将无功功率增加为2.0 kW。观察整个实验过程中低压交流侧系统的有功功率和无功功率分配情况，实验结果如图4、图5 所示。

图4 并联运行有功功率分配情况

图5 并联运行无功功率分配情况

由图4、图5 可知，在电力电子变压器并联运行模式下，如果低压交流侧系统的有功功率和无功功率发生波动变化，则电力电子变压器会根据自身容量比例输出相应的功率，达到“功率均分”的效果。以图5 为例，从实验开始后的第0.5 s 开始，将有功功率上调为3.0 kW，此时仿真系统中的两个并联运行的高压交流接口PET1 和PET2 功率相同，均为1.5 kW；在实验开始后的第1.0 s，将有功功率上调为4.0 kW，此时PET1 和PET2 的功率均为2.0 kW，符合“功率均分”要求。在保证两者输出功率相同的情况下，能够最大程度上一致电力电子变压器系统中空载环流的形成，这对于降低变压器的运行能耗、防止变压器过热运行以及提高变压器的效率有积极帮助[5]。

结束语

在建设智慧电网背景下，将虚拟同步电机控制技术融入到电力电子变压器系统中，对延长变压器自身的使用寿命、提高变压器的运行效率，以及维护配电网的稳定和可靠运行有积极帮助。从仿真效果来看，电力电子变压器的高压交流接口使用虚拟同步电机控制，能增强电压和频率调节能力，减少并网过程对配电网带来的冲击影响；低压交流接口使用虚拟同步电机控制，可以达到功率均分效果，有效抑制电流谐波，提高电能质量。由此可见，虚拟同步电机控制技术的应用对进一步提高电力电子变压器的应用效果有积极帮助。