虛擬同步發電機用雙向直流變換器研究

王軍章，蘭 征

（湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

0 引言

新能源分布式發電技術是解決當今世界能源問題的重要技術方法[1-2]，一般需要通過并網逆變器將新能源分布式發電產生的不同形式的電能變換成符合國家標準的電能形式才能接入電網[3]，但基于常規控制策略的并網逆變器與傳統的同步發電機相比，缺乏同步功能[4]，穩定性差[5]，且無法參與電網調節[6-7]。

眾多分布式電源接入電網會導致電力系統控制的失調[8-9]，不利于電網穩定運行，為使大規模分布式發電適應現有電力系統，國內外學者提出通過先進控制方法使得并網逆變器的輸出特性和傳統同步發電機的輸出特性等效[10-13]，該技術稱為VSG（虛擬同步發電機）技術，可以使分布式電源也具有傳統的同步發電機的大阻抗、大慣量、調頻、調壓等特點，從而實現分布式電源與電力系統的完美融合。

目前國內外對VSG 進行了大量的研究，文獻[14]從運行控制、穩定性分析以及典型應用等方面綜述了VSG 技術的關鍵問題和研究現狀。 文獻[15]提出了VSG的并網和離網2 種運行狀態之間的無縫切換控制策略，同時指出，直流母線電壓的穩定和足夠的能量緩沖是影響虛擬同步機輸出性能的關鍵。因此，VSG 技術更適用于含儲能單元的分布式能源與電網之間的連接。

電力系統具備調頻、調峰能力的發電廠一般都擁有足夠的備用容量。然而，光伏等分布式能源由于存在發電間歇性和不穩定性[16]，采用VSG技術也無法為調頻和調峰提供足夠的備用容量，甚至易因光照變換引起控制失調，導致與電網解列，這將嚴重影響VSG 和電網的穩定性[17]。因此需要增加儲能單元來為VSG 的調頻、調峰提供能量補給和吸收，保障分布式能源對電網內負荷供電的穩定性[18]。而儲能單元與直流母線的能量交換必須依靠雙向直流變換器完成。作為儲能單元和直流母線的中間環節，雙向直流變換器一方面為VSG 提供穩定的直流母線電壓，另一方面實現對儲能電池的充放電管理，保證儲能電池能夠可靠、高效地儲存和釋放電能。

本文詳細分析了適用于VSG 的雙向直流變換器，研究了拓撲結構，并設計了相應的控制策略，利用EMTDC/PSCAD 仿真驗證了該雙向直流變換器應用于VSG 的有效性和控制策略的正確性。

1 VSG 的結構與原理

通常VSG 包含分布式電源、直流母線和同步逆變器，如圖1 所示，即分布式電源的能量流入直流母線，然后通過同步逆變器并網。此種組成結構簡單，易于控制和實現，適合于輸出穩定的分布式電源，如燃料電池、微型燃氣輪機等。此種組成的缺點在于分布式電源不穩定時，直流母線電壓的偏差易引起同步逆變器控制的失調，甚至會導致與電網解列，嚴重影響VSG 的穩定性。

圖1 VSG 的組成結構

圖2 在典型VSG 基礎上加入了雙向直流變換器和儲能單元，利用雙向直流變換器穩定直流母線電壓，當分布式電源大幅減少時，儲能單元通過雙向直流變換器釋放能量；當分布式電源大幅增加時，儲能單元通過雙向直流變換器吸收能量；當分布式電源穩定時根據儲能單元的狀態對儲能單元進行充電。這樣很好地解決了直流母線電壓不穩定的問題，適合于任何分布式電源，包括光伏、風機等輸出不穩定的電源。該VSG 組成中還增加了中央控制系統，用于協調分布式電源、并網逆變器和雙向直流變換器的功率，保證VSG 并網的穩定性。

圖2 加入母線電壓穩定單元的VSG 結構

VSG 是在同步逆變器的控制環節中引入同步機的轉子運動與電磁暫態方程，可以將同步逆變器輸出等效為功角和幅值均可控的電壓源。讓同步逆變器的輸出特性來模擬同步發電機，從而使得同步逆變器也具有轉動慣量，可自動調壓、調頻。具體模擬過程如下。

VSG 的機械特性方程可表示為：

式中：D 為定常阻尼系數；J 為同步電機轉動慣量；ω 為機械角速度；ω0為額定角速度；Tm和Te分別為機械轉矩和電磁轉矩，其中Tm=Pm/ω，Te=Pe/ω。

由式（1）可得有功功率與角頻率之間的關系表達式為：

式（2）—（4）中：θ 為電角度；f 為VSG 的機端電壓頻率；f0為交流電網額定頻率；kf為頻率響應系數；Pm為分布式電源的輸出功率，由額定功率和頻率響應調節功率ΔPf兩部分組成。

由同步發電機的勵磁調節原理可得出VSG的輸出電壓幅值為：

式中：kv為調壓比例系數；E0為空載電勢；U 和Ue分別為輸出端電壓的實際值和參考值。

結合式（3）和式（5）可得VSG 的輸出電壓為：

由同步電機的電路模型，可得輸出電流指令iref為：

式中：R 和L 分別為電網阻抗的等效電阻和電感；uac和e 分別為VSG 輸出電壓參考值和實際值。

由于同步逆變器并網時的輸出電壓由電網決定，所以指令電流的大小主要控制同步逆變器無功功率，指令電流的相位主要控制同步逆變器的有功功率。DC/AC（直流-交流）同步逆變器的控制環節中，使用PR（比例諧振調節器）來跟蹤指令電流值，就可以使光伏等分布式發電實現VSG功能。

為了使電網的頻率、電壓穩定， 必須使得VSG 的輸出功率跟隨電網狀態做出相應調整，所以當分布式電源輸出能量減少，不足以支撐虛擬同步機輸出功率時，雙向直流變換器控制儲能單元釋放能量；當分布式電源輸出能量增加，超過虛擬同步機所需輸出功率時，雙向直流變換器控制儲能單元吸收能量，因此雙向直流變換器和儲能單元是虛擬同步機穩定運行的必要組成部分。

2 雙向直流變換器拓撲與控制

雙向直流變換器是可以雙象限運行的直流-直流變換器，能夠根據需要實現能量的雙向流通，功能上相當于2 個單相的直流變換器。與隔離型的變換器相比，不隔離的直流變換器電路簡單，采用的元器件較少。同時，為了滿足VSG 大功率和輸出性能的要求，采用三相交錯并聯型結構的雙向直流變換器，該結構擁有輸出電流諧波小、效率高、開關電流應力小等優點，其拓撲結構如圖3 所示。

2.1 互補PWM 移相調制

圖3 三相交錯并聯的雙向直流變換器

雙向直流變換器同一橋臂的上下2 個開關器件既可以工作在獨立的PWM（脈沖寬度調制）控制方式，也可以工作在互補PWM 控制方式[19]。獨立的PWM 控制方式時，同一橋臂的2 個開關器件不同時導通，相當于Buck 電路和Boost 電路的反并聯組合，電感電流較小時會出現電感電流斷續狀態。然而，互補PWM 控制方式是同時控制雙向直流變換器同一橋臂上下開關器件同時動作，即互補導通。在電流較大時，2 種控制方式效果均可等效為Buck 電路或者Boost 電路；在電流較小時，互補PWM 控制方式電感電流連續。因此，此處更適合采用互補PWM 控制方法。

采用互補PWM 控制方式，一個開關周期內電感電流正負交替出現，縮短了切換的過渡過程，提高了響應速度。此時，雙向直流變換器的上下開關管開關信號的邏輯相反。即開關器件S1，S3，S5分別與S2，S4，S6互補導通，各開關器件并聯的二極管都做續流二極管用，此時三相交錯并聯雙向直流變換器工作于統一電路模式。此種模式下，母線電壓是隨著外接負載而波動的，系統根據母線電壓的波動來自動調整能量流向。VSG 與雙向直流變換器系統整體控制框圖如圖4 所示。

針對雙向直流變換器的控制采用了電壓電流雙閉環控制策略，電壓外環經過PI 控制器輸出參考電流信號iL_ref，電流內環實現對參考電流iL_ref的快速跟蹤。為了實現母線電壓寬范圍控制，在電壓外環加入了滯環比較器，滯環寬度U1體現了穩壓范圍。此方法可以使雙向直流變換器在不會頻繁動作的情況下，將直流母線電壓穩定在[U0-U1，U0+U1]范圍內。在產生PWM 調制波這一過程中，選用了更具優勢的互補PWM 控制方式。

獨立PWM 控制和互補PWM 控制時電感電流波形如圖5 所示。設定0.15 s 之前工作在Buck狀態，0.15 s 后系統由Buck 狀態切換到Boost 狀態，可以看出，穩態時，獨立PWM 控制下，電感電流斷續；互補PWM 控制下，電感電流連續，電感電流平均值的正負決定了能量流動的方向。切換過程中，互補PWM 控制下的系統響應快，電感電流比獨立PWM 控制下的電感電流更快地恢復到穩態。因此在能量雙向交互模式下，采用互補PWM 控制會取得更好的控制效果。

VSG 中雙向直流變換器主要功能是通過能量補峰或吸收來維持直流母線電壓的穩定，當負載變動頻繁時，雙向直流變換器需要頻繁地進行能量的雙向流動，而互補PWM 控制在功率流向切換頻繁時有著顯著的優越性，因此互補PWM 控制方式與獨立PWM 控制方式相比更適用于VSG。

2.2 母線電壓寬范圍控制

為了將直流母線電壓維持在一定的范圍，保障VSG 的穩定性，雙向直流變換器采用母線電壓寬范圍的控制方法。該方法具有動態性能良好以及雙向直流變換器無需頻繁啟動等優點。 當VSG 工作在負載和電網比較穩定的狀態時，直流母線電壓只會在較小的范圍內波動，并不會影響VSG 的穩定性，當然也不需要儲能單元和雙向直流變換器的調節。但當電網或負載的波動范圍較大，極易造成虛擬同步機和電網失步，就需要利用儲能單元和雙向直流變換器配合的快速能量變換作用，對直流母線電壓進行實時調節，即雙向直流變換器實現了能量的瞬時補峰功能?？紤]到VSG 在瞬間啟動和卸放時，會對電網帶來巨大的沖擊，也可能引起器件的損壞、破壞電網的穩定性，此時需要雙向直流變換器和儲能單元配合對直流母線電壓進行緩沖，即實現雙向直流變換器對VSG 的瞬時啟動和能量卸放輔助功能。綜上所述，雙向直流變換器采取了母線電壓寬范圍控制策略，使直流母線電壓穩定在[U0-U1，U0+U1]范圍內，本文U1取U0的5%。

圖4 VSG 與雙向直流變換器的系統控制框圖

圖5 不同調制方式下電感電流波形

雙向直流變換器控制流程如圖6 所示：

（1）VSG 啟動時，雙向直流變換器先啟動，建立穩定的電壓U0。

（2）同步逆變器和分布式電源分別并聯在直流母線上。

圖6 雙向直流變換器工作流程

（3）分布式電源逐漸穩定后，通過雙向直流變換器的母線電壓寬范圍控制，使直流母線控制在范圍內。

（4）若分布式能源能夠與同步逆變器達到功率平衡，即母線電壓穩定，則雙向直流母線電壓處于等待狀態。

（5）若電網或負載只有較小波動，直流母線電壓仍然在[U0-U1，U0+U1]范圍內波動，雙向直流變換器仍然處于等待狀態。

（6）若電網或負載有較大幅波動，母線電壓超出[U0-U1，U0+U1]的范圍時，雙向直流變換器進行能量的瞬間補峰和卸放，使得母線電壓穩定在[U0-U1，U0+U1]的范圍。

母線電壓寬范圍控制方式下，雙向直流變換器可以作為VSG 系統的啟動和卸放輔助設備，以及能量的瞬時補峰裝置。同時儲能單元和雙向直流變換器不會頻繁動作，極大提升了儲能和雙向直流變換器的開關器件壽命，可降低系統維護成本。

3 仿真分析

為驗證本文所提用于虛擬同步機的三相交錯并聯型雙向直流變換器拓撲結構及其控制策略的正確性和有效性，搭建了基于EMTDC/PSCAD 的仿真模型。參照主電路拓撲（如圖3 所示），具體仿真參數為：每相輸入電感L=1 mH，蓄電池額定電壓為216 V，蓄電池端電容值C1=235 μF，母線端電容值C2=705 μF，動態過程各工況如下文所述。

（1）仿真工況1

雙向直流變換器先后工作于啟動、等待和能量卸放3 種模式。其中雙向直流變換器啟動時為VSG 提供啟動電壓；當母線電壓恒定時，雙向直流變換器進入等待狀態，蓄電池不與系統交換能量；當分布式電源能量過剩時，雙向直流變換器進入能量卸放模式，傳輸系統能量至儲能蓄電池，避免母線電壓提升，維持母線電壓760 V 恒定。

工況1 的動態過程波形如圖7—11 所示，假定蓄電池放電時雙向直流變換器傳輸功率為負，充電時雙向直流變換器傳輸功率為正。從圖7 可以看出，啟動階段雙向直流變換器通過蓄電池放電，為VSG 提供240 V 恒定的直流電壓，同時由于蓄電池放電，蓄電池電壓稍低于額定電壓216 V；當系統穩定母線電壓恒定為760 V 時，直流變換器不動作，處于等待階段；當直流母線電壓波動抬升超過限值時，通過蓄電池儲能，達到直流母線能量卸放目的，維持母線電壓恒定。從圖8可以看出直流變換器由等待階段向能量卸放階段切換時的母線電壓變化細節；從圖9 可以看出，能量卸放蓄電池以216 V 額定電壓恒壓充電，等待模式至能量卸放的切換過程只需0.04 s 即可達到穩定。從圖10、圖11 可以看出雙向直流變換器啟動模式時控制蓄電池放電，釋放功率；等待模式時蓄電池不充電也不放電，蓄電池與系統無功率交換；能量卸放模式時，蓄電池充電，蓄電池從系統吸收功率。

（2）仿真工況2

雙向直流變換器先后工作于啟動、等待和能量補峰3 種模式。啟動和等待模式如前文所述，當分布式電源能量不足以支撐VSG 工作時，雙向直流變換器進入能量補峰模式，使蓄電池釋放能量，傳輸至直流母線，避免母線電壓跌落，維持母線電壓恒定。

圖7 母線電壓和蓄電池電壓

圖8 母線電壓局部放大

圖9 蓄電池電壓局部放大

圖10 蓄電池電流

圖11 雙向直流變換器傳輸功率

工況2 的動態過程波形如圖12—16 所示，從圖12 可以看出啟動階段至等待階段動態過程同工況1，而當直流母線電壓波動跌落超過限值時，通過蓄電池放電釋放能量，進行能量補峰，達到維持直流母線電壓恒定的目的。從圖13 可以看出，母線電壓升高超過限值后，經歷0.2 s 重新恢復穩定；從圖14 可以看出，填谷階段蓄電放電，電壓比等待階段有所跌落，等待模式至能量補峰的切換過程只需0.01 s 即可完成。從圖15、圖16 可以看出，啟動階段時雙向直流變換器控制蓄電池放電，釋放功率；等待階段蓄電池不充電也不放電，蓄電池與系統無功率交換；能量補峰，蓄電池再次放電，釋放功率。

圖12 母線電壓蓄電池電壓波形

圖13 母線電壓切換放大

圖14 蓄電池電壓切換放大

圖15 蓄電池電流波形

圖16 雙向直流變換器傳輸功率

通過對以上2 種工況的分析可以發現，在整個工作周期中，直流母線電壓超過限值后又能很快恢復至穩定范圍，雙向直流變換器為VSG 提供了很好的母線電壓支撐。

4 結語

本文詳細分析了適用于VSG 的雙向直流變換器，研究了其拓撲結構、互補PWM 移相調制和母線電壓寬范圍控制策略，搭建了基于EMTDC/PSCAD 的仿真模型，驗證了該雙向直流變換器應用于VSG 的正確性和可行性。