變頻驅動系統電網接口虛擬同步發電機控制技術

吳軒欽譚國俊何鳳有李浩

（中國礦業大學信息與電氣工程學院徐州221008）

變頻驅動系統電網接口虛擬同步發電機控制技術

吳軒欽譚國俊何鳳有李浩

（中國礦業大學信息與電氣工程學院徐州221008）

網側功率變換器是變頻驅動系統接入配電網的重要接口，隨著變頻驅動系統滲透率的不斷提高，網側功率變換器對配電網中的影響越發突出。借鑒傳統電力系統中的同步發電機數學模型，形成電網接口虛擬同步發電機控制方案，設計具有變頻驅動系統自身特性的虛擬調速器和虛擬勵磁控制器，保證電網電流的低諧波畸變的同時，滿足負荷功率需求，并具有響應電網電壓/頻率異常事件功能，可在一定程度上提高電網的穩定性。同時模擬同步發電機的轉動慣量，提高電網接口的慣性和阻尼，降低變頻驅動系統對電網的影響，提升電網對大規模變頻驅動系統接入的適應性。為實現電網接口的柔性起動，提出一種虛擬同步預并網控制方法，可實現電網接口柔性離/并網切換，消除起動沖擊電流。仿真和實驗結果表明了所提控制方案的有效性。

變頻驅動電網接口虛擬同步發電機柔性啟動

3　引言

隨著變頻驅動系統工業應用的迅猛發展，其對配電網的容量要求和電能質量的影響越發突出［1，2］。作為發（用）電系統與電網之間的橋梁，電網接口功率變換器拓撲及其控制策略的優劣直接決定了系統的運轉方式和性能。首先，電網接口的電能形式變換可能會對電網注入諧波和無功，甚至造成無功沖擊，影響電網質量［3-5］。因此需要能與電網實現互動的友好電能轉換接口。其次，電網接口需具備良好的動態響應特性以滿足負荷功率需求，并具有一定的慣性和阻尼，以減輕負荷對電網的影響，同時避免系統在負荷過渡過程中失穩，提升變頻驅動系統的穩定性。

各國學者對如何提高電網接口動、靜態性能進行了深入研究。目前，主要有間接電流控制［6］、直接電流控制［7］、直接功率控制（Direct Power Control，DPC）［8-10］以及以模型預測控制（Model Predictive Control，MPC）［11-13］和反饋線性化控制（Feedback Linearization Control，FLC）［14，15］為代表的基于現代控制理論的控制策略［16］。間接電流控制存在參數魯棒性差、動態過程電流變化劇烈以及穩定性差的缺點；直接功率控制主要存在開關頻率不固定的缺陷以及無功功率波動問題；基于現代控制理論的控制策略存在控制算法過于復雜的問題。目前，基于矢量定向的直接電流控制策略是一種較成熟且應用最廣泛的控制方式［5，17，18］。

縱觀上述控制策略，傳統的變頻驅動系統電網接口控制方案尚不滿足“智能電網”要求。以電力電子器件為基礎的“背靠背（Back-to-back，B2B）”拓撲結構雖能快速響應變頻驅動系統負荷功率需求，但其不具備慣性和阻尼特性，易導致系統暫態不穩定，并網模式下電網動態特性變差，甚至伴隨電流沖擊。同時其不具備配電網的同步機制特性，缺乏參與配電網運行管理的主動性。借鑒傳統電力系統的電源（同步發電機）、電網、負荷（同步電動機）具有頻率惟一特性，依靠三者之間的同步機制協調抵御外界干擾，具備響應電網電壓、頻率、有功、無功異常動作能力，自主參與電網的運行和管理機制。因此，若能在未來配電網中的眾多變頻驅動系統電網接口中引入同步機制，可實現配電網對變頻驅動系統的自治運行和主動管理。

由于虛擬同步發電機技術具有電網友好互動特性，該技術目前已成為國際上的研究熱點。文獻［19］最早提出虛擬同步發電機理念［19］，所提出的“VSG（Virtual Synchronous Generator）”方案可模擬同步發電機的轉子慣量及一次調頻特性，增加系統的慣性。文獻［20］所提出的虛擬同步發電機（Virtual Synchronous Machine，VISMA）概念通過電網接入點電壓、濾波阻抗、勵磁電動勢信息獲取逆變器輸出電流指令，實現同步發電機特性的模擬。文獻［21］所提出的同步逆變器（Synchronverter）將輸出濾波電感、輸出線路阻抗等效為定子同步電抗，通過跟蹤發電機勵磁電動勢指令，模擬同步發電機的電磁機械特性及其調頻、調壓特性。文獻［22］提出了虛擬同步發電機，文獻［23］提出了虛擬慣性頻率控制等。雖然現有部分文獻針對分布式并網逆變器采用虛擬同步發電機控制技術進行了研究，但針對交流電機變頻驅動系統電網接口相關的虛擬同步發電機控制方案鮮有報道。借鑒傳統電網同步控制機制，通過引入虛擬同步發電機控制技術將變頻驅動系統電網接口等效控制為同步發電機，可自動實現電能變換接口與電網間的友好交互，并具有響應負荷功率需求功能。

本文提出一種變頻驅動系統電網接口虛擬同步發電機控制策略，可使得接口與電網之間的交互電流畸變率較小，且具有為電網提供必要的電壓、頻率支撐功能，同時良好的動態響應特性可維持恒定的母線電壓，提高配電網與變頻系統的整體穩定性。此外，將交流電機驅動系統等效為同步發電機負荷，以滿足負荷功率需求。為實現電網接口的柔性離/并網切換，提出了一種虛擬同步預并網控制方法，解決電網接口與電網不同步起動引發的電流沖擊問題。仿真分析和實驗結果驗證了所提控制方案的正確性和有效性。

3　電網接口虛擬同步發電機模型分析

1.1電網接口虛擬同步發電機引入

本文以如圖1所示的基于B2B三電平電壓型逆變器拓撲結構變頻驅動系統為研究對象。網側電能變換接口采用虛擬同步發電機控制策略。因此，從公共耦合點（Point of Common Coupling，PCC）看進去，整個變頻驅動系統可等效為同步發電機負荷，自適應響應電網頻率、電壓擾動，并為電網提供必要的慣性和阻尼。圖1所示的電網接口網絡電壓方程為［3-5］

圖1　Back-to-back三電平變頻驅動系統Fig.1 The back-to-back three-level inverter drive system

1.2電網接口虛擬同步發電機模型

將圖1所示的電網接口等效為虛擬同步發電機，假定同步發電機為如圖2所示的一對極理想隱極式發電機，且不考慮磁飽和、鐵損、渦流等效應。正方向按發電機慣例定義。為簡化分析，發電機模型采用經典的二階暫態方程表述，同時所有量均折算到定子側。定子磁鏈方程為［5］

式中：ψs為定子磁鏈，分別為定、轉子電流，為定子電感，為定、轉子互感。電壓方程為［5］

式中：es為同步發電機感應電動勢，us為定子端口電壓，為定子電阻，

圖2　電網接口虛擬同步發電機等效模型Fig.2 The virtual synchronous generator equivalent model of grid interface

對比方程（1）和方程（3）可發現，電網接口網絡電壓方程與同步發電機定子電壓方程極為相似。將圖1所示的電網接口輸出端電壓e、PCC點電壓u及電網接口電流i等效為同步發電機感應電動勢es、定子端電壓us及定子電流is，濾波器和線路總電感L與線路雜散電阻R等效為同步發電機定子電感Ls與定子電阻Rs，電網接口直流側等效為同步發電機提供機械功率的原動機。

圖2為電網接口虛擬同步發電機等效模型。由圖2可知，在模型等效過程中，虛擬感應電動勢（電網接口輸出端電壓）e為關鍵變量。根據電機學理論可知，感應電動勢e為

同步發電機轉子運動方程可表述為

式中：Tm、Te分別為同步發電機機械轉矩和電磁轉矩；ω、ωg分別為同步發電機電氣角速度和電網同步角速度；δ為同步發電機功角；J、D分別為同步發電機轉動慣量和阻尼系數。

同時，由式（6）可知，由于轉子運動方程中轉動慣量J和阻尼系數D的存在使得變頻驅動系統電網接口表現出具有對電網電壓、頻率擾動以及負荷波動過程中機械慣性和阻尼功率振蕩的能力。

3　電網接口虛擬同步發電機控制

如圖1所示的B2B變頻驅動系統電網接口采用虛擬同步發電機控制的目標是實現電網接口主動地根據電網的頻率、電壓調節其攝取的電網有功和無功功率，以達到與電網主動交互的目的，同時滿足負荷功率需求。

2.1虛擬調速器

借鑒傳統電力系統同步發電機頻率-有功功率調節原理設計如圖3所示的電網接口虛擬同步發電機調速器。通過對虛擬原動機轉矩Tm調節實現B2B變頻驅動系統電網接口有功功率指令的調節。

圖3　虛擬調速器Fig.3 The virtual speed controller

如圖3所示，虛擬原動機轉矩Tm=Tr+Tω，包含負荷需求轉矩Tr和頻率偏差轉矩Tω。其中，由負荷轉矩需求單元調節，pr包含虛擬同步發電機直流母線電壓比例積分（Proportion Integration，PI）調節器輸出和為提升電網接口對變頻驅動系統發電機負荷過渡過程有功功率的響應速度而引入的負荷實時功率需求值pmf。Tr可表述為

式中kdcP、kdcI分別為虛擬同步發電機直流母線電壓PI調節器的比例系數和積分系數。

頻率偏差轉矩Tω則根據傳統發電機系統頻率-功率下垂特性設計的頻率調節單元實現。采用比例調節器模擬下垂特性

式中：ω0為電網額定角頻率；kω為頻率響應系數。圖3中頻率調節單元輸入變量dω為虛擬預并網相位偏差信號，將在第3節予以闡述。

2.2虛擬勵磁控制

傳統同步發電機通過勵磁控制器來調節其無功輸出及發電機端口電壓。站在以虛擬同步發電機技術控制的電網接口來考慮，虛擬勵磁系統應能自動地調節虛擬勵磁電流，使電網接口并網運行時能提供相應的無功功率，同時能有效控制并穩定端口電壓，以提高電網系統的穩定性。對此，設計了如圖4所示的包含無功調節單元、電壓調節單元及虛擬感應電動勢調節單元的虛擬同步發電機勵磁控制器。其中，無功調節單元引入比例調節器模擬傳統發電機系統電壓-無功下垂特性，輸出為

式中：Qn為電網接口無功功率指令；Q為電網接口輸出瞬時無功功率；kQ為無功功率調節系數。其中，Q可依據瞬時無功功率理論計算

式中ugα、ugβ和iα、iβ分別為電網接口PCC點電壓和電流在αβ坐標軸上的分量。

圖4　虛擬勵磁控制器Fig.4 The virtual excitation controller

為穩定虛擬同步發電機端電壓，引入等效于同步發電機自動勵磁調節效果的電壓調節單元，其輸出為

式中：Un為電網接口端電壓期望值；U為電網接口端電壓實際值；kU為電壓調節系數。同時，在電壓調節單元輸入變量中的d u為虛擬預并網電壓幅值偏差信號。

由無功調節單元與電壓調節單元共同作用得到的電壓偏差輸出指令ΔE=ΔEQ+ΔEU送入PI調節器以產生虛擬勵磁電流偏差信號Δif為

式中kifP、kifI分別為虛擬勵磁電流PI調節器的比例系數和積分系數。本文在此引入比例-積分控制策略可實現電網接口并網運行時無功功率及端口電壓的穩態無靜差跟蹤，抑制動態過程無功響應沖擊。同時用以實現第3節所述的虛擬預并網階段端口電壓幅值無靜差跟蹤PCC點電壓。

利用勵磁電流偏差信號Δif及虛擬感應電動勢單元模擬式（5）所示的同步發電機感應電動勢期望幅值Er與勵磁電流if之間的磁電關系

式中：ifn為虛擬勵磁電流額定值；kE為勵磁調節系數。

根據上述分析可知，電網接口采用虛擬同步發電機控制方案在無功功率調節方面完全不同于傳統控制策略。其在保證無功功率跟蹤的同時，還能參與配電網電壓調節，根據電壓的偏差為其接入的電網提供必要的無功支撐。

2.3虛擬同步發電機控制技術

借鑒傳統同步發電機相關控制理論，建立如上所述的電網接口虛擬調速器可滿足變頻驅動系統負荷有功功率需求，同時響應電網運行頻率異常事件；虛擬勵磁控制可準確跟蹤無功功率、電壓指令，同時響應電網運行電壓異常事件。

根據式（3）、式（5）、式（6）構建如圖5所示的電網接口虛擬同步發電機電磁和機械模型，其中根據瞬時功率理論折算出虛擬同步發電機瞬時有功功率，進而可將虛擬電磁轉矩Te表述為

根據機械模型可得虛擬同步發電機轉子位置角θ為

式中Δω為角頻率偏差信號。

圖5　虛擬同步發電機模型Fig.5 The virtual synchronous generatormodel

通過虛擬勵磁控制系統調節得到的暫態電動勢期望值Er和測量獲得的PCC點電壓ug，根據式（3）所示的電磁模型可得虛擬同步發電機電流期望值ir，并作為電流內環調節系統的指令值。為降低接口與電網之間的交互電流i總諧波畸變率，以滿足電網友好的功能，電流內環采用PI調節器無靜差控制策略，并以虛擬同步發電機轉子位置角θ作為同步旋轉坐標系定向角，可保證并網運行電流的精確跟蹤，實現電網交互電流的低諧波、高功率因數運行。

3　柔性離/并網切換控制

電網接口通常具有離網和并網雙運行模式特性。針對變頻驅動系統，電網接口無需具備為離網運行模式下的局部電網提供電壓和頻率支撐功能，因此只需研究電網接口離/并網切換過程特性。通常情況下，變頻驅動系統電網接口離/并網切換過程為：將如圖1所示的PCC點靜態開關閉合，進入直流側支撐電容預充電階段，電網接口PWM脈沖處于封鎖狀態，在此過程中依靠預充電阻抑制電流沖擊。預充結束后，待電網接口收到起動信號，開放PWM脈沖，進入真正并網運行狀態。

在上述離/并網切換過程中，基于虛擬同步發電機控制的電網接口處于動態過渡過程中，由于電壓和頻率的調節作用，其運行電壓幅值、相位與電網電壓之間可能存在偏差。因此電網接口若在不合時宜時刻起動將導致PCC點兩側電壓存在較大的瞬時值偏差，可能會引起過大的沖擊電流，導致電壓波形畸變，惡化電能質量，甚至引發電網接口過電流保護。因此需尋求一種有效地無縫切換控制技術。對此，本文提出一種虛擬預并網同步控制策略，實現變頻驅動系統電網接口柔性離/并網切換控制。

如圖6所示，PCC點電壓ug、虛擬感應電動勢er分別以ωg、ω角速度在空間旋轉，在虛擬預并網期間調節er幅值和相位，使其與ug重合，即可實現電網接口的柔性起動。通過軟件鎖相環（Software Phaselocked Loop，SPLL）得到ug空間位置角θg，同時將d軸定向于ug矢量方向，可得通過控制er的d、q軸分量實現er對ug的同步跟蹤。根據上述原理可得如圖7所示的虛擬預并網同步控制器。由圖2及式（4）可知，er與ug相位差180°，相位跟蹤環節中取反號-1。

圖6　虛擬預并網同步控制矢量圖Fig.6 The virtual pre-network synchronization control vector

圖7　虛擬預并網同步控制器Fig.7 The virtual pre-network synchronization controller

結合圖3與圖4所述的虛擬調速器和虛擬勵磁調節器，為實現虛擬感應電動勢幅值和頻率的跟蹤，虛擬調速器和勵磁調節器的輸入指令應切換為虛擬預并網同步控制器的輸出指令d u、dω，開關Sc閉合。預并網期間，電網接口處于脈沖封鎖狀態，圖3虛擬調速器負荷轉矩需求單元和圖4無功調節單元處于非使能狀態，待起動時刻斷開開關Sc。綜上所述，具有柔性離/并網切換功能的變頻驅動系統電網接口虛擬同步發電機控制策略如圖8所示。

圖8　變頻驅動系統電網接口虛擬同步發電機控制框圖Fig.8 The virtual synchronous generator control block of variable frequency drive system grid interface

3　仿真與實驗分析

4.1仿真分析

為驗證本文提出的B2B變頻驅動系統電網接口虛擬同步發電機控制方案的有效性，搭建如圖8所示的仿真模型進行驗證，B2B系統關鍵參數見表1。仿真開始階段封鎖電網接口PWM脈沖，待預充過程結束后，在0～0.1 s期間虛擬預并網同步控制單元調節虛擬感應電動勢er跟蹤PCC點電壓ug，仿真結果如圖9所示。在此期間，虛擬調速器、虛擬勵磁控制器僅投入頻率調節單元和電壓調節單元，由于電網接口PWM脈沖處于封鎖狀態，因此虛擬預并網同步控制單元中PI調節器的參數可設置較大值，以加快跟蹤過程。從圖9可看出經過短暫的調節過程，虛擬感應電動勢幅值、相位快速逼近電網電壓，er與ug在0.1 s之前即可實現完全重合。

表1　系統關鍵參數Tab.1 Key parameters of the system

圖9　虛擬預并網同步控制仿真波形Fig.9 The simulation waveform of virtual pre-network synchronization control

在0.3 s時，直流側母線接入50Ω電阻模擬變頻驅動系統突加負荷工況，0.45 s時切除電阻模擬突減負荷工況。從圖10a可看出，在負荷突變過程中，直流母線電壓udc出現波動，在負荷功率前饋控制作用下，經歷0.05 s的調節過程隨即恢復到700 V。圖10b為負荷突變過程電網接口電流，從圖中不難發現，在慣性和阻尼作用下，三相接口電流變化平緩，在滿足負荷需求的基礎上，減輕了負荷對電網的影響。圖10c為虛擬同步發電機感應電動勢Er和旋轉角速度ω的響應情況。從圖中可知，動態過程中Er和ω都具有明顯的慣性特征，保證電網接口的運行更為穩定、可靠。如圖2所示，本文采用虛擬同步發電機控制策略時電氣量的參考方向依據發電機慣例，實際的變頻驅動系統是發電機負荷，因此在突加負荷過程中，圖10d所示的虛擬同步發電機機械轉矩和電磁轉矩為負數，虛擬同步發電機從電網吸取能量。當負荷突加時，虛擬調速器調節機械轉矩Tm指令，在虛擬同步發電機技術控制作用下電磁轉矩Te跟隨變化，導致旋轉角速度ω降低，這與傳統同步發電機系統有功功率-頻率之間的下垂特性相一致。在此過程中，轉矩響應在慣性和阻尼的作用下變化平緩，實現電網接口作為電網和負荷之間的橋梁具有靈活、柔性的慣性緩沖功能。為避免變頻驅動系統電網接口對電網注入無功，設置無功功率指令Qn為0 var。由圖10e可看出，電網接口可快速響應負荷有功功率需求，并跟隨無功功率指令，可向電網提供必要的功率支撐和無功補償。同時所提控制策略能為系統提供必要的阻尼和慣性，使得電網接口具有和同步發電機相媲美的控制性能。結合圖10c可知，電網接口的有功功率和無功功率之間的動態響應通過感應電動勢Er和旋轉角速度ω之間實現耦合，這與傳統的同步發電機具有一致性。

圖10　并網運行仿真波形Fig.10 The simulation waveform in network operation

4.2實驗驗證

利用江蘇省電力傳動與自動控制研究中心變頻驅動系統先進并網逆變器實驗平臺對所提控制策略進行實驗驗證。實驗平臺如圖11所示，系統參數如表1所示。實驗過程與仿真相似。圖12為虛擬預并網控制階段虛擬感應電動勢與PCC點電壓實驗波形。采用數字信號處理器時受字節影響，虛擬預并網同步控制單元中PI調節器的參數在保證準確跟蹤前提下可適當減弱。從圖中可看出虛擬感應電動勢era在0.1 s時間間隔內即可完全跟蹤PCC點電壓uga。

圖11　實驗平臺系統圖Fig.11 The system diagram of experimental platform

圖12　虛擬感應電動勢跟蹤實驗波形Fig.12 The experimentalwaveform of virtual induction electromotive force tracking

在0.1 s時，虛擬并網過程結束，控制開關Sc斷開，同時開放PWM脈沖。采用圖8所示的控制策略對電網接口進行調節，其中B2B電網接口空載運行，即直流側電容后端未接入負荷。對比分析圖13a、圖13b可知，采用虛擬預并網同步控制可使得直流母線電壓響應更為平緩，超調量更小，穩態時直流母線電壓udc維持在期望值700 V。同時消除了電網接口電流沖擊，實現變頻驅動系統電網接口柔性離/并網切換控制。虛擬同步發電機控制技術可為系統模式切換過程提供必要的慣性和阻尼，切換過程更為穩定、可靠。

圖13　電網接口電流對比仿真波形Fig.13 Current comparison simulation waveform of grid interface

變頻驅動系統電機對拖平臺中直流電機作為負載電機，由6RA70恒轉矩控制方式驅動。圖14為負荷波動情況下虛擬同步發電機響應實驗波形。由圖14a和圖14b的動態響應波形可看出，虛擬同步發電機直流母線電壓變化約為20 V，動態恢復時間約為1 s，具有良好的動態特性，可快速響應負荷波動。同時電網接口交互電流保持良好的正弦度，穩態時以單位功率因數運行。

圖14　虛擬同步發電機動態響應實驗波形Fig.14 The dynamic response experimentalwaveform of virtual synchronous generator

針對變頻驅動系統工況特點，由負載電機模擬恒轉矩負荷特性，變頻驅動電機速度指令由零速加速，然后勻速運行，再減速、低速爬行，最終再到停車的全程S曲線。由圖15可看出基于虛擬同步發電機技術控制的電網接口可快速響應負荷有功功率需求，并跟隨無功功率指令，與仿真結果一致。同時電網接口輸入電流基本接近正弦，并以單位功率因數方式運行。圖16為變頻驅動系統穩態額定負載工況下電網接口電流諧波含量，由檢測結果可知，最大值諧波畸變率為3.4%，有效降低了變頻驅動系統對電網造成的諧波污染。

圖15　虛擬同步發電機全程運行實驗波形Fig.15 The entire running experimentalwaveform of virtual synchronous generator

圖16　電網接口電流總諧波含量Fig.16 The current total harmonic content of grid interface

3　結論

本文引入虛擬同步發電機概念，研究了一種可主動參與電網電壓、頻率調節的變頻驅動系統電網接口控制策略。通過仿真和實驗驗證了所提控制策略的可行性和有效性。得出以下結論：

1）B2B變頻驅動系統電網接口采用虛擬同步發電機控制技術具有良好的負荷功率需求特性，提高了電網對變頻驅動系統的適應性。同時，虛擬同步發電機的慣性和阻尼特性，克服了傳統網側變流器無慣性給電網帶來的沖擊，具有慣性緩沖特性，可有效提升電網接納能力。電網接口電流低諧波畸變率可有效降低變頻驅動系統對電網電能質量造成的不利影響。

2）電網接口采用虛擬同步發電機技術，具有傳統同步發電機的外特性，可實現與電網的友好交互，為電網異常事件提供必要的有功、無功支撐，提高電網穩定性。

3）虛擬同步發電機控制技術可為系統模式切換過程提供必要的慣性和阻尼，虛擬預并網同步控制策略消除了起動電流沖擊，實現變頻驅動系統電網接口柔性離/并網切換控制。

4）本文所提出的B2B變頻驅動系統電網接口虛擬同步發電機控制技術概念清晰，算法簡單，便于系統設計和實現。

［1］Rahman S.Green power：what is it and where can we find it？［J］.IEEE Power and Energy Magazine，2003，1（1）：30-37.

［2］Mozina C.Impact of green power distributed generation［J］.IEEE Industry Applications Magazine，2010，16（4）：55-62.

［3］Singh B，Singh B N，Chandra A，et al.A review of three-phase improved power quality AC-DC converters［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2004，51（3）：641-660.

［4］李時杰，李耀華，陳睿.背靠背變流系統中優化前饋控制策略的研究［J］.中國電機工程學報，2006，26（22）：74-79.

Li Shijie，Li Yaohua，Chen Rui.Study of the optimum feed-forward control strategy in back-to-back converter system［J］.Proceedings of the CSEE，2006，26（22）：74-79.

［5］譚國俊，吳軒欽，李浩，等.Back-to-Back雙三電平電勵磁同步電機矢量控制系統［J］.電工技術學報，2011，26（3）：36-42.

Tan Guojun，Wu Xuanqin，Li Hao，et al.Study on vector control system of electrically excited synchronous motor fed by back-to-back dual three-level converter［J］. Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26（6）：36-42.

［6］Buccella C，Cecati C，Latafat H.Digital control of power converters-a survey［J］.IEEE Transactions on Industrial Informatics，2012，8（3）：437-447.

［7］Dixon JW，Ooi B T.Indirect current control of a unity power factor sinusoidal current boost type three-phase rectifier［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1998，35（4）：508-515.

［8］Hadian A SR，徐殿國，郎永強.一種PWM整流器直接功率控制方法［J］.中國電機工程學報，2007，27（25）：78-84.

Hadian A S R，Xu Dianguo，Lang Yongqiang.A new direct powercontrol of PWM rectifier［J］.Proceedings ofthe CSEE，2007，27（25）：78-84.

［9］王久和，李華德，王立明.電壓PWM整流器直接功率控制系統［J］.中國電機工程學報，2006，26（18）：54-60.

Wang Jiuhe，Li Huade，Wang Liming.Direct power control systemof three phase boost type PWM rectifiers［J］.Proceedings of the CSEE，2006，26（18）：54-60.

［10］Malinowski M，Jasinski M，Kazmierkowski M P. Simple direct power control of three-phase PWM rectifier using space-vector modulation（DPC-SVM）［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2004，51（2）：447-454.

［11］楊興武，姜建國.電壓型PWM整流器預測直接功率控制［J］.中國電機工程學報，2011，31（3）：34-39.

Yang Xingwu，Jiang Jianguo.Predictive direct power control for three-phase voltage source PWM rectifiers［J］. Proceedings of the CSEE，2011，31（3）：34-39.

［12］尚磊，孫丹，胡家兵，等.三相電壓型并網逆變器預測直接功率控制［J］.電工技術學報，2011，26（7）：216-226，229.

Shang Lei，Sun Dan，Hu Jiabing，et al.Predictive direct power control of three-phase grid-connected voltage-sourced inverters［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26（7）：216-226，229.

［13］Kouro S，Cortés P，Vargas R，et al.Model predictive control—a simple and powerful method to control power converters［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56（6）：1826-1838.

［14］張平化，楊貴杰，李鐵才.三相PWM整流器的反饋線性化直接電壓控制［J］.中國電機工程學報，2010，30（18）：39-46.

Zhang Pinghua，Yang Guijie，Li Tiecai.Direct voltage control of three-phase PWM rectifier based on feedback linearization［J］.Proceedings of the CSEE，2010，30（18）：39-46.

［15］鄧衛華，張波，丘東元，等.三相電壓型PWM整流器狀態反饋精確線性化解耦控制研究［J］.中國電機工程學報，2005，25（7）：97-103.

Deng Weihua，Zhang Bo，Qiu Dongyuan，et al.The research of decoupled state variable feedback linearization control method of three-phase voltage source PWM rectifier［J］.Proceedings of the CSEE，2005，25（7）：97-103.

［16］周鑫，郭源博，張曉華，等.基于自適應跟蹤控制的三相電壓型PWM整流器［J］.中國電機工程學報，2010，30（27）：76-82.

Zhou Xin，Guo Yuanbo，Zhang Xiaohua，et al.Threephase voltage-type PWM rectifier based on adaptive tracking control［J］.Proceedings of the CSEE，2010，30（27）：76-82.

［17］Sato Y，Ishizuka T，Nezu K，et al.A new control strategy forvoltage-type PWM rectifiers to realize zero steady-state control errorin input current［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1998，34（3）：480-486.

［18］Malinowski M，Kazmierkowski M P，Trzynadlowski A M.A comparative study of control techniques for PWM rectifiers in AC adjustable speed drives［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2003，18（6）：1390-1396.

［19］Loix T，De Breucker S，Vanassche P，et al.Layout and performance of the power electronic converter platform for the VSYNC project［C］.IEEE Bucharest Power Tech，Bucharest，2009：1-8.

［20］Chen Y，Hesse R，Turschner D，et al.Comparison of methods for implementing virtual synchronousmachine on inverters［C］.Proceeding of International Conference on Renewable Energies and Power Quality，Santiago de Compostela，Spain，2012：1-6.

［21］Zhong Q C，Weiss G.Synchronverters：inverters that mimic synchronous generators［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58（4）：1259-1267.

［22］丁明，楊向真，蘇建徽.基于虛擬同步發電機思想的微電網逆變電源控制策略［J］.電力系統自動化，2009，33（8）：89-93.

Ding Ming，Yang Xiangzhen，Su Jianhui.Control strategies of inverters based on virtual synchronous generator in a microgrid［J］.Automation of Electric Power Systems，2009，33（8）：89-93.

［23］杜威，姜齊榮，陳蛟瑞.微電網電源的虛擬慣性頻率控制策略［J］.電力系統自動化，2011，35（23）：26-31.

Du Wei，Jiang Qirong，Chen Jiaorui.Frequency control strategy of distributed generations based on virtual inertia in a microgrid［J］.Automation of Electric Power Systems，2011，35（23）：26-31.

Virtual Synchronous Generator Control Scheme of Grid Interface for Variable Frequency Drive System s

Wu Xuanqin Tan Guojun He Fengyou Li Hao
（School of Information and Electrical Engineering China University of Mining and Technology Xuzhou 221008 China）

The grid-side power converter is an import interface to access the distribution network for variable frequency drive systems.With the increasing penetration of variable frequency drive systems，the impact of the grid-side power converter on the distribution network becomes much more important.Firstly the virtual synchronous generator control scheme is formed in accordance with the synchronous generatormodel of traditional power systems，while the virtual speed controller and the virtual excitation controller are designed with the characteristics of variable frequency drive systems，which ensures low harmonic distortion of grid current as well asmeets the load's power need.The system can also respond to the abnormal grid voltage/frequency，which can improve the stability of the grid to a certain degree.Meanwhile，simulating themoment inertia of the synchronous generator can improve the inertia and damping of the grid interface and reduce the impact of variable frequency drive systems on the grid，and thus enhance the adaptability of the grid during the large-scale variable frequency drive system access.To achieve the flexible start of the grid interface，a virtual synchronization pre-connection controlmethod is proposed，which can realize the flexible on/off switching of the grid and eliminate the inrush current.The simulation and experimental results show the effectiveness of the proposed control scheme.

Variable frequency drive，grid interface，virtual synchronous generator，flexible start

TM464

吳軒欽男，1983年生，博士，講師，研究方向為大功率交流傳動及電力電子變流技術。（通信作者）

2015-01-02改稿日期2015-10-10

譚國俊男，1962年生，博士，教授，研究方向為大功率交流傳動及電力電子變流技術。