71虚拟同步电动机多环路控制及故障穿越

1、虚拟同步电多环路控制及故障穿越1，1，1，2，2，1，1(1. 东南大学电气，南京市 玄武区 210000；2. 中国电力科学，市 海淀区 100192)整流器的虚拟同步电(virtual synchronous motor, VSM)多环路控制策略，在传统下垂控制的基础摘要：本文提出了一种三相上，引入同步电机的机械方程和电磁方程，使整流器模拟同步电的惯性特性和电磁特性，在迅速响应电网频率/电压变化的同时，能够维持系统稳定。同时通过加入电压电流双环控制，控制三相电流，提高了系统的动态特性。当电网电压和频率发生异常时，VSM 控制策略能够使整流装置维持直流侧输出电压，并且能够在此故障状态下带载运

2、行，保证了实际负荷用电的稳定。最后，通过了所提控制方法可行性。：虚拟同步电；整流器；多环路；故障穿越Multiple Loopstrol Strategies for Virtual Synchronous MotorLI Wenbing1, WANG Jianhua1, LUO1, L Zhipeng2, SUN Lijing2, GU Binshi1, QU Xiaohui1(1. College of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China；2.China Electricer Researc

3、h Institute, Haidian District,Beijing 100192, China)Abstract : This pr proes a multiple loopstrol strategy for virtual synchronous motor (VSM). The multiple loopstrol strategy, basedon drooptrol, adding the mechanical equations and electromagnetic equationso synchronous motor, inertial characteristi

4、cs and electro-magnetic characteristics of the rectifier simulation of synchronous motor. The three-phaserectifier can raly response the changing ofer grid frequency ,at the same time , ma aining the system stability. By adding voltage and current double looptrol, the three-phasecurrent istrolled, a

5、nd the dynamic characteristics of the system are improved. When the voltage and frequency of theer grid are abnor-mal, the VSMtrol strategy can ma aheide output voltage of the rectifier device, and can carry the loadhe fault s e, whichensures the stability of the load. Finally, the simulation valida

6、te the effectiveness of the proedtrol strategy.Keywords：virtual synchronous motor；three-phaserectifier；multiple loops；through fault基金项目：国家重点研发计划(2016YFB0900404); 国家自然科学基金(51207023);江苏省产学研前瞻性联合 项目(BY2015070-18); 公司科技项目:负荷虚拟同步机在配电网中的应用 。Project Supported by the National Key Research and Development Pr

7、ogram of China (2016YFB0900404), by the National Natural Science Foundation of China (51207023), by the Cooperative Innovation Fund of Jiangsu Province-the Prospectiveand Jo Research Project (BY2015070-18), and S e Grid Corporation of China Science and Technology Project1引言虚拟同步电控制策略全球能源互联网构想的提出，推动了区

8、域图 1 所示为本文所使用的整流器拓扑。电压型整流器主电路拓扑结构如图 1 所示。图中 Ua，Ub,，Uc为三相电源相电压,ia，ib，ic 为三相线电流； Udc 为直流 电压;R，L 为滤波电抗器的电阻和电感；C 为直流侧电容;ea， eb，ec 为桥臂中点电压。电网向高比例清洁能源时代迈进。在电源侧，新能源发电能够灵活接入大电网的需求，促进了微电网概念和虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)技术的产生和发展。VSG 技术通过模拟同步发电机的机械方程和电磁方程来控制并网逆变器，使得并网逆变器能够响SS3S5应电网异常事件、参与电网调节。LR1U

9、aUb Uiaeaib icCeceb同时，在负荷侧，越来越多的负荷通过整流装置和UdcRdcc电网相连，类比于电源侧，如果能够通过控制并网整流S2S4S6器，使大量通过整流装置并网的典型负荷具备同步电动机的惯性、阻尼特性、有功调频、无功调压特性等运行图 1整流器拓扑结构外特性，无疑将对电网的稳定产生有益影响。Fig.1The topology of rectifier文献1虚拟同步发电机技术主要基于同步机机电暂态数学模型，提出具有 PQ 控制和 Vf 控制双重控制功能的控制环路，通过一定的控制信号在两种控制，整流器桥臂中点电压 ea，eb，内电势，直流侧输出的功率相当于虚与同步电ec 等效于

10、虚拟电模式之间进行切换。由于现实情况下由于系统采样误差、拟同步电的机械功率输出，滤波电抗器的电阻和电延时等问题，两种控制策略切换过程中可能会产生较大感等效为定子电感和电阻。冲击。文献2拓展了 VSG 本体建模的思路，提出了采用dq 坐标系下同步发电机的五阶电压方程、磁链方程建立VSG 的数学模型，但其实现复杂、实用性不强。目前针在当前的电力系统中，控制电网频率和电压最常用的方法是下垂控制，就是选择与传统同步电机相似的频率一次下垂特性曲线作为微源的控制方式，即分别通过对VSG 建模的方法以二阶模型为主，主要考虑转子运动方程和定子电气方程。文献3提出了具有低电压穿越能P/f 下垂控制和 Q/V 下

11、垂控制来获取稳定的频率和电压，这些成控制原理可以引入到三相整流器的控制环节力的光伏并网系统控制策略，当电网电压跌落较深时，中。P/f 下垂控制关系式如下：（1）投入电力系统稳定器，为电网提供电压支撑，同时通过 = + ( )输出的机械功率；Pset 为电储能系统平衡功率，从而实现电压穿越。文献4分别提其中：Pm 为电的出了电源侧虚拟同步机和负荷侧虚拟同步机的控制策略，机械功率；Dp 为有功频率的下垂系数；n 为额定角频率； 为实际角频率。了电源侧和负荷侧控制策略的异同点。文献5则提出一种基于虚拟同步电的电动汽车快速充电解决方下垂控制虽然简单灵活，但由于缺乏同步电的案，采用虚拟同步机的控制策略控

12、制并网整流器，使并惯性，功率随着频率迅速变化的过程中也易失去稳定性。网整流器具有同步机的同步性能，从而能够积极响应电因此引入同步电的转矩方程，模拟同步电的惯网变化，主动参与电网调节。性特性。同步电的转矩方程如下过调节桥臂中点电压来模拟同步发电机的励磁控制功能。（2） = 按照发电机惯例，同步电机的电磁方程为其中：Tm 为电输出的机械转矩，Te 为同步电动+ （6）= + 机的电磁转矩，J 为转动惯量， 为实际角频率。考虑转子惯性的同步电二阶模型为：其中：eabc 为电内电势，uabc 为机端电压，R 为定子等效电阻，L 为定子等效电感。下垂系数Dq根据(5)式由无功功率变化与电压峰值波动的比值

13、计算得出。无功功率的计算可以通过下式计算 = ( )0（3） = 式中：J 为同步电的转动惯量，kg m2； 为机械角速度，rad/s；0 为额定角频率，rad/s；Tm、Te 分别为机械转矩和电磁转矩，N m；D 为阻尼系数，Nms/rad；得到： = 1 ( ) + ( ) + ( ) （7）3其中：va，vb，vc 分别为三相电压瞬时值，ia，ib，ic分别三相电流瞬时值，n 为额定角频率。通过上述的有功无功环控制整流器，能够很好地实 为发电机转子角位移，rad。下垂系数Dp根据(1)式由功率变化与电压频率波动的比值计算得到。虚拟机械功率 Tm 由整流器直流侧输出电压 Udc 和直流电压

14、参考值 Uref 比较后，经过比例积分环节得到。电磁功率 Te 可以通过下式计算得到现对有功和无功的控制，但是却失去了对电流的控制，在此基础上加入电压电流双环控制，提高系统的动态特性。（4） = ( + + )/电压外环和电流内环均采用 PI 调节器能够达到较好的动态特性。将功率环计算得到的桥臂中点电压 eabc 和电网电压 uabc 经过比较后经过比例积分环节，输出电流值和电网电流 iabc 比较后，再经过比例积分环节得到调制波，其中：va，vb，vc 分别为三相电压瞬时值，ia，ib，ic分别三相电流瞬时值，n 为额定角频率。按照(3)式建立有功环的控制环路，就能在下垂控制的基础上引入惯性

15、环节，模拟同步电的惯性，在迅和三角载波比较后得到控制信号。速响应电网频率变化的同时保持系统的稳定性。当电网电压和频率发生异常时，VSM 控制策略能够使整流装置维持直流侧输出电压，并且能够在此故障状Q/V 下垂控制的一次调压方程如下：（5） = + (2 2)态下带载运行，保证了实际负荷用电的稳定。其中：Qe 为同步电实际消耗的无功功率，Qset2为设定的无功功率给定值，Dq 为无功电压下垂系数，Un 为电网电压的额定有效值。综合以上几个控制环节，系统整体的控制结构如图 2同步电通过励磁控制器来调节其无功。类似地，所示。整流器桥臂中点类比于同步电机的励磁调节器，可以通+ nD有功pTmirefU

16、dc +1s1Js+频率控eabcPIPIUrefTe制环iabcvabcE sin无功电2VgE sin 2 +Dq3 4 E sin Qset +2Uo3压控制1Ks2 EQe环图 2 VSM 总体控制结构框图Fig.2The wholetrol structure of VSM为了验证本文VSM 相关控制策略的正确性，在PLECS 环境下搭建了系统仿电路和功率环路相关控制参数如表 1 所示。分别对电网正常状态下和电网频率下降和电压跌落的情况进行了模拟。表 1 VSM 主电路和功率环参数Tab.1 The parameters of main circuit ander loop（a）直流

17、侧输出电压700V下垂系数 Dp100直流电压参考值惯性参数 J0.0507惯性参数 J0.5电阻0.135下垂系数 Dq11.74mh惯性参数 K-0.01电感1.增加负荷在正常运行状态下，模拟投入负荷的情况。由仿真波形可以看到，当接近 4s 时直流侧输出电压稳定在设定值 700V，系统带 10kW 负荷。当在 6s 时刻又加入 10kW（b）系统有功功率负荷，加入瞬间直流侧电压上下波动几十伏后，逐渐又稳定在 700V。由有功功率可以明显的看到有功的变换，同时通过无动的波形看到，负荷变化，无功最后仍被控制在零。整流器（c）系统无功功率（b）系统有功功率（d）系统角频率（c）系统无功功率图 3

18、 电网正常状态Fig.3 The normal s e ofer grid2.电网频率骤降本文VSM 控制方法，将下垂控制和电的惯性和电磁特性结合起来，具有一定的故障穿越能力，（d）系统角频率能在电网发生频率/电压骤降时，维持直流侧输出电压，并且能够带载运行。模拟情况下，当电网频率由 50Hz，骤降为 30Hz，同时在加负载的情况。图 4 电网频率下降Fig.4 The grid frequency decreased从波形可以看到，当电网频率骤降时，直流侧电压发生波动，但经过扰动后，迅速维持在 700V，保持直流输出电压恒定。此时，再加入 10kW 的负荷，经过短暂扰动后，仍能维持电压稳定。

19、3.电网电压骤降从仿真波形可以看到，当电网电压幅值在 6s 由 311V突变为200V时，直流侧电压发生波动后仍稳定在700V，且继续加载 10kW 直流侧电压仍能稳定。（a）直流侧输出电压3结论本文提出了一种基于虚拟同步电理论的三相整流器控制策略，设计了功率环和电压电流双环，能够实时响应电网频率和电压的变化，改善系统的动态调节特性。此外，VSM 控制策略能够在电网故障较轻时，能够不脱网并维持正常直流输出，维持系统的稳定。通（a）直流侧输出电压过了本文控制方法的正确性和可行性。参考文献1,真,徽.基于虚拟同步发电机的微电网逆变电源控制策略J.电力系统自动化,2009,33(8):89-93.D

20、ing Ming,Xiangzhen,SU Jianhui.trol Strategies of In-（b）系统有功功率verters Based on Virtual Synchronous Generator in a Mi-crogridJ.Automation of Electricer Sys-tems,2009,33(8):89-93(in Chi).2,贺大为,等.具有同步发电机特性的微电网逆变器控制J.电工技术学报,2014,29(7):261-268.Zhang Yuzhi,Zhang Hui,He Dawei,etc.trol Strategy of MicroGridv

21、erters with Synchronous Generator Characteristic.（c）系统无功功率TRANIONS OF CHINA ELECTROTECHNICALSOCIETY,2014,29(7):261-268(in Chi).3向海燕.基于虚拟同步发电机的光伏并网低电压穿越技术D:湖南:湖南大学电气与信息,2013XIANG Haiyan. Research on Low Voltage Ride-through Technol-ogy of Grid-nected Photovoltaic Based on Virtual SynchronousGenerator

22、D.an University, 2013(in Chi).（d）系统角频率4.虚拟同步机与电力系统J.中国电机工程学图 5 电网电压下降报,2017,37(2):336-348.Fig.5 The grid voltage dropZHONG Qingchang. Virtual Synchronous Machines and Autono-mouser SystemsJ. Proceedings of theCSEE,2017,37(2):336-348(in Chi).5,曾正,等应用虚拟同步电机技术的电动汽车快充控trol Strategy Based on Adaptive Dro

23、oCoefficient AdjustmentJ.制方法J.中国电机工程学报,2014,34(25):4287-4294.Automation of Electricer Systems, 2013,37(7):6-11(in Chi).LU Zhipeng , LIANG Ying, ZENG Zheng, etc. Virtual Synchronous11,锦,等.基于自适应比例谐振的新型并网Motor Basedtrol Scheme of Fast Charger for Electric Vehicle电流控制策略J.电工技术学报,2013,28(9):186-195.Applic

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