模擬同步發電機特性的焊接同步逆變器設計

褚曉銳

（西昌學院工程技術學院，四川西昌615013）

模擬同步發電機特性的焊接同步逆變器設計

褚曉銳

（西昌學院工程技術學院，四川西昌615013）

研究了一種模擬同步發電機特性的同步逆變器控制策略。根據同步發電機的本體數學模型、原動機調節模塊及勵磁電壓調節模塊，設計了虛擬同步逆變器算法，基于此控制策略，同步逆變器能夠較好地模擬同步發電機特性，具有良好的下垂外特性及可調的轉動慣量，提高了焊接系統的穩定性及可靠性。在MATAB/simulink中進行系統模型的搭建與仿真。仿真結果表明，該控制策略下同步逆變器能夠較快的跟蹤焊接負荷的變化。

同步逆變器；虛擬同步發電機算法；虛擬原動機調節；虛擬勵磁電流調節

0 前言

人類對電力、能源的需求不斷增加，在能源和環境的雙重壓力下，分布式發電技術以其獨有的經濟性、環保性受到了越來越多的關注[1]。目前逆變器的設計及控制策略的好壞直接關系到輸出的電能質量、供電系統的安全性及可靠性等，故研究焊接逆變器的控制策略具有一定的理論意義與實際應用價值[2]。

針對逆變器常見的控制策略有恒壓恒頻（V/F）控制、恒功率（P/Q）控制以及下垂控制等[3-4]。恒壓恒頻控制要求系統中配備大容量儲能裝置的間歇性分布式電源和大容量非間歇性電源，否則不能滿足系統負荷功率變化的需求[5]；恒功率控制則不能為其提供剛性的電壓和頻率支撐，當負載發生變化時可能會造成輸出電壓幅值和頻率的較大范圍內的波動[6]；下垂控制主要根據下垂公式為其提供電壓幅值和相角的參考值，一旦該控制策略下的逆變器輸出功率發生變化，將會導致逆變器輸出的電壓幅值和頻率發生變化，對接入分布式發電系統的本地負載造成不良的影響[6]。文獻[7]提出了一種控制方法——同步逆變器，能夠使逆變器模擬出同步發電機的外特性，降低負載變化時對逆變器輸出電壓幅值及頻率的影響，大大提高了系統的穩定性和可靠性。

在參考其他文獻的基礎上，分析了同步逆變器的主電路拓撲結構，根據同步發電機的本體數學模型、原動機調節模塊及勵磁電壓調節模塊，構建了同步逆變器的控制回路，并分析了其工作原理。理論分析表明，同步逆變器能夠很好地模擬同步發電機的外特性，實現了逆變器輸出電壓幅值及頻率隨負載變化的快速調節。在MATLAB/simulink中進行了模型的搭建與仿真，研究了理論分析的正確性。

1 同步逆變器的工作原理

1.1 主電路拓撲結構

為簡化控制電路的設計，現假設逆變器的前端直流電壓源為理想電壓源，同步逆變器由主電路及控制電路兩部分組成，其主電路拓撲結構如圖1所示。主電路拓撲結構包括3個LC濾波器在內的左半部分，其中Li（i=a，b，c）在同步逆變器中不僅與Ci（i=a，b，c）起著濾除諧波的作用，還起著模擬同步發電機定子電感的作用；同步逆變器橋臂的中點電壓ei（i=a，b，c）、阻抗Li，Ri（i=a，b，c）及電容端電壓ui（i=a，b，c）分別模擬了同步發電機的感應電動勢、定子阻抗及定子端電壓；L1i，R1i（i=a，b，c）模擬了分布式發電系統的線路阻抗；Load為系統所帶的負荷，且可以通過KM斷路器的開通與閉合實現焊接負荷的切入與切出。

1.2 控制策略分析

1.2.1 虛擬同步發電機控制算法

假定勵磁電流if為常數，極對數為1，同時考慮到同步轉速ω0附近的速度變化和功率差額關系的同步發電機的二階數學模型[8-9]如下：

圖1 同步逆變器主電路拓撲結構Fig.1The main circuit topology of synchronization inverter

式中Tm、Te、Td為機械、電磁轉矩和阻尼轉矩；Pm、Pe、Qe為機械功率、電磁有功和無功功率；D0、J0為阻尼系數、轉動慣量；Δω、ω、ω0為電角速度差、虛擬角速度、同步角速度；U、e為同步發電機定子端電壓、勵磁電壓；Ls、Rs為定子繞組的電抗及電阻；Mfif為勵磁電流與互感的乘積為定子相電流。綜合式（1）～式（5），可得虛擬同步發電機控制算法框圖如圖2所示。

由圖2可知，虛擬同步發電機算法的輸入量為機械功率Pm、定子三相電流iabc及勵磁電流與互感的乘積Mfif，其中定子三相電流直接通過電路采樣獲取，為了保證該控制算法的可行性，需要一個控制器產生Pm和Mfif，以得到系統所需有功無功功率及勵磁電壓。現通過模擬同步發電機的一次調頻和無功電壓調節特性[9]設計虛擬同步發電機的原動機調節模塊及勵磁電流調節模塊。

圖2 虛擬同步發電機控制算法Fig.2Virtual synchronous generator control algorithm

1.2.2 虛擬原動機調節

圖3為同步發電機的一次調頻特性及根據該特性設計的虛擬原動機調節模塊。

圖3 一次調頻特性及虛擬原動機調節框圖Fig.3The primary frequency modulation characteristics and virtual prime mover control diagram

圖3a為同步發電機的一次調頻特性，其中f0、P0為同步發電機空載運行下的頻率和有功功率，以同步發電機額定運行下的頻率fN為基準頻率，當負載增加至Pfed時，同步發電機的頻率下降到ffed這個新的穩定值上。頻率的偏差量Δf=fN-ffed，有功功率的偏差量ΔP=PN-Pfed，定義kp=Δf/ΔP為同步發電機的有功頻率下垂系數，小于0。為了保持輸出電壓頻率的穩定性，將同步發電機的一次調頻特性運用到虛擬原動機調節模塊，以調節虛擬原動機輸出的機械功率，進而調節逆變器的輸出頻率，其控制框圖如圖3b所示。

2 仿真驗證

為驗證上述理論分析的正確性，利用MATLAB/ simulink軟件對主電路拓撲及控制策略進行模型的搭建和仿真。主電路參數的設置如表1所示，有功功率下垂系數Kp=-1.667e-5，阻尼系數Dp=30.427，轉動慣量J=0.0343，無功電壓下垂系數Kq=-1.55e-3。同步逆變器在0～0.3 s帶阻性負荷額定功率下運行，0.3 s時負荷發生擾動，分別增加有功1 kW、無功功率1 kV，仿真得到的輸出A相電壓及三相電流波形如圖4所示（為了更好的表現出輸出電壓與電流之間的相位關系，這里取輸出電壓為實際值的1/20），輸出有功功率及無功功率波形如圖5所示，輸出單相電壓幅值及角頻率如圖6所示。

表1 仿真參數Tab.1Simulation parameters

由圖4可知，同步逆變器能夠很好的滿足不同負載形式的需求；由圖5可知，同步逆變器能夠快速且準確的跟蹤負荷的變化，滿足負荷的要求；結合圖5、圖6的逆變器輸出波形可以看出，輸出電壓與無功功率之間、輸出角頻率與有功功率之間分別具有較好的下垂特性，0～0.3 s逆變器工作于額定運行狀態下，此時的輸出電壓幅值及角頻率分別穩定在額定值311 V與314 rad/s，0.3～0.6 s分別增加了有功及公共功率，此時輸出的電壓幅值及角頻率均按照下垂特性低于其額定值，但誤差小，能夠很好的滿足負荷的需求。

3 結論

研究了一種基于虛擬同步發電機算法的同步逆變器，確定了同步逆變器的主電路拓撲結構。根據同步發電機的本體數學模型、原動機調節模塊及勵磁電壓調節模塊設計了以虛擬同步發電機算法為核心的控制電路。在MATLAB/simulink軟件中進行了模型的搭建與仿真。仿真結果顯示，該同步逆變器能夠較好的滿足不同負載形式的需求、快速的跟蹤負荷的變化，負荷變動時其輸出電壓幅值及頻率分別與有功功率及無功功率呈現優良的下垂特性，誤差較小。

圖4 同步逆變器輸出電壓與電流波形Fig.4Output voltage and current waveform of synchronization inverter

圖5 同步逆變器輸出有功及無功功率波形Fig.5Output active and reactive power waveforms of synchronization inverter

圖6 同步逆變器輸出電壓幅值及角頻率波形Fig.6Output voltage amplitude and angular frequency waveform of synchronization inverter

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[2]顧和榮，趙巍，王雷，等.微電網逆變器電流下垂控制分析與實驗研究[J].電力系統保護與控制，2013，41（18）：45-48.

[3]張中鋒.微網逆變器的下垂控制策略[D].南京：南京航空航天大學，2013.

[4]羅銳鑫.微型電網運行控制策略的仿真分析[D].成都：西南交通大學，2013.

[5]楊新法，蘇建，呂志鵬，等.微電網技術綜述[J].中國電機工程學報，2014，34（1）：57-70.

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Design of welding synchronization inverter simulating the characteristic of synchronous generator

CHU Xiaorui
（School of Engineering and Technology，Xichang College，Xichang 615013，China）

A control strategy of synchronization inverter simulating the characteristic of synchronous generator is studied in this paper. According to the mathematical model of synchronous generator,prime mover control module and exciting voltage regulator module，a virtual synchronous inverter algorithm is designed.Based on the control strategy，the synchronization inverter can simulate the characteristics of synchronous generator well，and has good sagging external characteristic and adjustable rotary inertia，and the stability and reliability of welding system are improved.Finally，the construction and simulation of system model are conducted in the MATAB/simulink.The simulation results show that with this control strategy the synchronous inverter can rapidly track the change of welding load.

synchronization inverter；virtual synchronous generator algorithm；virtual prime mover adjustment；virtual exciting current adjustment

TG434.1

A

1001-2303（2015）08-0115-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.24

2015-04-30；

2015-06-12

褚曉銳（1977—），男，四川南部人，副教授，碩士，主要從事電力系統及自動化的教研工作。