基于虚拟同步机的地铁能量回馈双向变流器控制研究

摘要 该文研究了基于虚拟同步机的地铁能量回馈双向变流器控制技术，分析逆变回馈型方案的局限性，探讨了整流与逆变装置的高成本问题以及谐波对电网电能质量的影响。该文结合电压和频率的下垂控制，构建了Synchronverter虚拟同步机控制模型，提出了转动惯量自适应控制策略，并搭建了小功率试验平台以验证双向变流器的性能。能量回馈双向变流器的性能评估，分析了控制参数变化对系统动态与稳态性能的影响，并评估了系统在整流牵引和逆变回馈两种模态下的运行效果。

关键词 虚拟同步机；地铁能量回馈；双向变流器；控制技术；电网稳定性

中图分类号 U231.8 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）23-0004-03

0 引言

传统的逆变回馈型方案存在控制方式单一、成本高以及谐波影响电网质量等局限性，虚拟同步机技术能够用先进的控制算法实现无功调压控制，设计虚拟惯性以增强电网的稳定性。该研究聚焦于基于虚拟同步机的地铁能量回馈双向变流器控制策略，对于现有技术中的不足，提出结合电压和频率下垂控制的方法，构建Synchronverter虚拟同步机控制模型，并探讨转动惯量自适应控制策略。

1 逆变回馈型方案的局限性

1.1 控制方式单一，易受功率波动及电网异常情况影响

传统逆变回馈型方案主要采用恒定电流控制，当负载发生突发变化时，恒定电流控制难以快速响应，这将导致系统的动态性能显著下降，影响整体电能质量。具体来说，当地铁列车在加速、减速或停靠时，所需功率的变化频繁且剧烈。若控制系统无法实时调整输出，可能导致电网中的功率因数下降，从而影响供电的稳定性，当列车急剧加速时，瞬时功率需求大幅增加，会导致电流短时间内飙升，超过了电网的承载能力，此时系统可能出现过载保护，进而导致供电中断，该过程中的功率波动可以用以下公式描述：

（1）

式中：P——功率（W），I——电流（A），V——电压（V）。电网电压降低或电流波动较大的情况下，功率输出将变得不稳定，根据功率公式，当电流I（A）和电压V（V）出现波动时，功率P（W）将受到直接影响，这种变化在数学上表现为：

（2）

式中：——功率变化量（W），——电压变化量（V），（ A ）——电流的变化量，——相位角变化带来的影响。当电流或电压出现波动时，功率的波动幅度将显著增加。当电网出现异常时，电压跌落、频率波动或设备故障，传统控制方式难以快速适应，可能导致电网稳定性进一步降低，在电压突降至80%时，系统将经历过度的电流波动，可能引发保护性停运，影响其他依赖于同一电网的设备正常运行。该系列连锁反应可能导致电力供应不稳定，增加设备的损坏风险，最终影响整体运营的可靠性，频繁电网波动，导致运行设备稳定性受损，用户体验降低。地铁列车行驶过程中的停运或减速频出，乘客不满升高，公共交通效率与形象遭受影响，经济损失和运营维护成本上升由于频繁电网故障和停电带来的后果，增加了运营公司压力[1]。

1.2 需要整流与逆变两套装置，成本较高

回馈型方案的主要缺陷体现在必须配置整流与逆变两套装置，系统复杂性显著提高，投资成本整体加剧。借助于交流电向直流电转换的整流装置，以及将直流电再向交流电转换的逆变装置实现。涉及功率半导体器件、电感、电容等元器件在过程中不止价格昂贵，也占据大量空间，安装和维护难度增加。以某地铁项目为例，整流器的采购成本约为50万元，逆变器的成本约为70万元，相关的控制系统和辅助设备也需要额外的30万元，使得传统逆变回馈方案的总成本达到150万元。采用双向变流器或虚拟同步机方案的成本明显更低，后者分别为110万元和95万元，方案成本数据对比如表1所示。

表1所示采用虚拟同步机技术的方案能够简化系统架构，提高整体的运行效率，这一成本的降低，有助于推动地铁能量回馈技术的广泛应用，并为项目的可持续发展提供了有力支持。

1.3 与交流电网进行能量交换时，谐波会降低电网电能质量

非线性负载产出的电流或电压波形失真呈现为谐波，频率处于电网基本频率的整数倍。回馈型逆变方案在与交流电网能量交换过程中，由整流和逆变环节的非线性特性而常带来高次谐波生成，这些谐波成分使得电网的电能质量下降，有可能触发一系列电力系统问题，谐波电流可以用以下公式表示：

（3）

式中：Ih——第h次谐波电流（A），I1——基波电流（A），h——谐波次数，n——衰减指数。高次谐波的存在会引起电力设备的讨热，导致保护装置误动作，甚至造成电能损耗。该现象在地铁系统中尤为突出，因为地铁在运行中频繁启动和制动，产生的功率波动和谐波的增加不仅会影响电力设备的运行寿命，还可能对供电系统的稳定性造成威胁，降低谐波影响，提高电网的电能质量，是当前电力系统亟须解决的重要问题。

1.2 虚拟同步机技术的优势

虚拟同步机技术的优势在于其能够利用控制算法，使系统具备无功调压的特性，调节无功功率，确保电压在负载波动情况下保持稳定。该无功调压功能是通过模拟传统同步发电机的行为来实现的，确保系统在电网波动时能够有效支持电网的电压稳定性，此外虚拟同步机可以基于电网特性设计虚拟惯性，虚拟惯性是对物理系统中惯性特性的模拟，使得系统在功率或频率突变时能够像传统发电机一样缓冲变化。虚拟惯性设计的核心是控制算法实时分析电网频率的变化情况，根据电网需求动态调整功率输出。电网频率急剧变化时，虚拟同步机能快速响应，提供或吸收瞬时无功功率，降低频率波动幅度，虚拟惯性可以反馈控制策略实现对频率偏差的快速响应，保证系统的稳态和动态性能。

2 解决问题

2.1 结合电压和频率下垂控制，得到Synchronverter虚拟同步机控制模型

Synchronverter技术作为一种新兴的虚拟同步机控制方案，通过结合电压和频率下垂控制，能够有效提升系统对功率波动的响应能力。在该模型中，系统通过实时监测电压和频率的变化，采用下垂控制策略动态调整输出功率，实现对电网状态的灵活适应。具体而言，电压和频率的下垂控制可以用以下数学模型表示：

（4）

式中：Pout——输出功率（W），Pref——参考功率（W），Vnom——系统的额定电压（V），fnom——系统的额定频率（Hz），Vmeas——实际测量的电压（V），fmeas——实际测量的频率（V），kV（W/V）和kf（W/Hz）为下垂控制增益。该模型使得虚拟同步机能够根据电网的实际状态，实时调整输出功率，确保系统在功率波动或电网异常情况下的稳定运行。通过构建该模型，Synchronverter能够有效模拟电力系统中的惯性特性，使系统在面对负荷变化时具备快速响应能力。

2.2 分析固定转动惯量J的局限性，提出转动惯量自适应控制策略

固定转动惯量J的局限性在于无法适应不同工况下的运行需求，实际应用中，地铁系统的负载和运行状态变化多样，固定的转动惯量往往无法满足瞬态条件下的功率需求。导致系统在遇到突发负载变化时，无法提供足够的惯性支持，从而影响电网的稳定性。为了解决该问题，提出了转动惯量自适应控制策略，该策略实时监测系统负载变化和电网状态，动态调整转动惯量值。控制算法根据实时测得的负载变化速率和电网频率变化率，运用自适应算法计算所需的转动惯量，以便在不同运行条件下优化系统性能，该策略的数学模型可以表示为：

（5）

式中：Jadapt——自适应转动惯量（kg·m²），Jnom——额定转动惯量（kg·m²），kload——负载变化敏感系数（kg·m²/W），——负载变化量（W）。

2.3 搭建小功率试验平台，完成双向变流器相关试验

为验证上述控制模型和自适应控制策略的有效性，该研究搭建了一个小功率试验平台，进行了双向变流器相关试验。该试验平台主要由双向变流器、虚拟同步机控制器、负载模拟器和数据采集系统组成，试验中通过改变负载模拟器的设置，模拟了不同工况下的负载变化，以测试系统的响应能力和稳定性。试验的具体过程中，试验准备安装双向变流器与虚拟同步机控制器，连接负载模拟器，确保数据采集系统正常运行。数据采集是在不同负载条件下进行试验，记录系统电压、电流、功率和频率等参数，通过调整负载模拟器的负载水平，模拟不同的工况。试验记录在每个负载状态下，记录系统稳定运行的电压、功率及频率，计算控制策略实施前后的性能变化[2]。试验结果表明，在应用自适应转动惯量控制策略后，系统在面对突发负载变化时，其频率波动幅度显著降低，具体数据如表2所示。

如表2所示，采用自适应转动惯量控制策略后，系统在同样负载变化情况下，频率波动幅度明显减小，电压稳定性显著提升。该结果验证了转动惯量自适应控制策略在提高电网运行稳定性方面的有效性，试验结果显示：自适应控制能够在不同负载条件下，保持良好的电能质量，满足地铁系统的运行要求。

3 地铁能量回馈双向变流器性能评估与优化

3.1 控制参数变化对系统动态与稳态性能的影响

调控参数设置中，下垂控制增益、逆变器的开关频率以及控制算法的响应时间等属于常见设定，根据这些参数出现的变化，系统便会相应地改动其响应速度、稳定性和电能质量。对于下垂控制增益来说，加大增益可以使得系统对电压和频率波动产生更敏感的反馈，这样系统就能在短时间内快速调整输出功率并保持电网稳定。但是过高的增益可能在负载发生改变时引起过度振荡从而导致稳态性能遭受影响，若下垂增益设置过低，虽然能够提高稳态性能，但系统响应时间将变得较慢，难以快速适应突发负载变化，造成功率因数下降和电能质量下降。控制参数的调整还会影响系统的频率稳定性，当开关频率较高时，逆变器能够更精确地调节输出波形，改善电能质量。过高的开关频率会增加开关损耗，影响系统的能效[3]。

3.2 评估系统在整流牵引和逆变回馈两种模态下的运行效果

地铁运行过程中，双向变流器需在整流牵引模式和逆变回馈模式之间切换，整流模式下，变流器将电能从电网转换为直流电供给牵引负载；逆变模式下，变流器将制动过程中产生的多余电能反馈到电网。不同负载条件下，系统表现出较为稳定的电压输出和功率因数，适合于大负载下的运行，整流模式下，系统的输出功率和电流特性如表3所示。

整流模式下，系统的输出电压保持在600 V，功率因数在0.92～0.95之间波动，显示出良好的负载适应能力与电能质量。在逆变回馈模式下，系统需要处理来自电机制动时回馈的电能，根据试验数据，逆变模式下的运行效果如表4所示。在该模式下，系统将回馈能量有效地传输至电网，并保持电压与频率的稳定。

逆变模式下，系统同样维持600 V的输出电压，功率因数在0.96～0.98之间，显示出较高的能效和电能质量。与整流模式相比，逆变模式的效率略高，表明在制动能量回馈方面，系统的性能更为优越，对整流牵引和逆变回馈两种模态的比较，能够得出在不同工况下系统的性能表现，提供了优化控制策略和设备配置的基础[4]。

4 结语

该文深入研究了基于虚拟同步机的地铁能量回馈双向变流器后，结论乃结合电压和频率下垂控制显著提升了电网稳定性与响应能力。如优化下垂增益调整和自适应转动惯量使用等控制参数，系统在动态与稳态条件下性能得以明显改善，频率波动降低，并且电能质量有所提升。而在整流牵引与逆变回馈两种模式下，双向变流器展示出优异的电压稳定性与功率因数，在高效能量管理中起到重要作用。

参考文献

[1]陈建国，肖文静，王多平，等.基于RTDS的高压大容量双向变流器控制器硬件在环仿真研究[J].东方电气评论， 2024（5）：75-78.

[2]张开宇，郑佳雯，时珊珊，等.轨道交通柔性交流牵引供电系统无源一致性稳定控制方法[J].智慧电力， 2024（7）：119-127.

[3]王哲昌.基于改进果蝇算法的城轨双向变流器控制研究[D].石家庄：石家庄铁道大学， 2024.

[4]聂晓华，占美娟，刘一丹，等.单相并网储能双向变流器线性时间周期模型的稳定性分析[J].南昌大学学报（工科版）， 2024（2）：193-202.