基于虛擬同步機的地鐵能量回饋雙向變流器控制研究

摘要 該文研究了基于虛擬同步機的地鐵能量回饋雙向變流器控制技術，分析逆變回饋型方案的局限性，探討了整流與逆變裝置的高成本問題以及諧波對電網電能質量的影響。該文結合電壓和頻率的下垂控制，構建了Synchronverter虛擬同步機控制模型，提出了轉動慣量自適應控制策略，并搭建了小功率試驗平臺以驗證雙向變流器的性能。能量回饋雙向變流器的性能評估，分析了控制參數變化對系統動態與穩態性能的影響，并評估了系統在整流牽引和逆變回饋兩種模態下的運行效果。

關鍵詞 虛擬同步機；地鐵能量回饋；雙向變流器；控制技術；電網穩定性

中圖分類號 U231.8 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）23-0004-03

0 引言

傳統的逆變回饋型方案存在控制方式單一、成本高以及諧波影響電網質量等局限性，虛擬同步機技術能夠用先進的控制算法實現無功調壓控制，設計虛擬慣性以增強電網的穩定性。該研究聚焦于基于虛擬同步機的地鐵能量回饋雙向變流器控制策略，對于現有技術中的不足，提出結合電壓和頻率下垂控制的方法，構建Synchronverter虛擬同步機控制模型，并探討轉動慣量自適應控制策略。

1 逆變回饋型方案的局限性

1.1 控制方式單一，易受功率波動及電網異常情況影響

傳統逆變回饋型方案主要采用恒定電流控制，當負載發生突發變化時，恒定電流控制難以快速響應，這將導致系統的動態性能顯著下降，影響整體電能質量。具體來說，當地鐵列車在加速、減速或停靠時，所需功率的變化頻繁且劇烈。若控制系統無法實時調整輸出，可能導致電網中的功率因數下降，從而影響供電的穩定性，當列車急劇加速時，瞬時功率需求大幅增加，會導致電流短時間內飆升，超過了電網的承載能力，此時系統可能出現過載保護，進而導致供電中斷，該過程中的功率波動可以用以下公式描述：

（1）

式中：P——功率（W），I——電流（A），V——電壓（V）。電網電壓降低或電流波動較大的情況下，功率輸出將變得不穩定，根據功率公式，當電流I（A）和電壓V（V）出現波動時，功率P（W）將受到直接影響，這種變化在數學上表現為：

（2）

式中：——功率變化量（W），——電壓變化量（V），（ A ）——電流的變化量，——相位角變化帶來的影響。當電流或電壓出現波動時，功率的波動幅度將顯著增加。當電網出現異常時，電壓跌落、頻率波動或設備故障，傳統控制方式難以快速適應，可能導致電網穩定性進一步降低，在電壓突降至80%時，系統將經歷過度的電流波動，可能引發保護性停運，影響其他依賴于同一電網的設備正常運行。該系列連鎖反應可能導致電力供應不穩定，增加設備的損壞風險，最終影響整體運營的可靠性，頻繁電網波動，導致運行設備穩定性受損，用戶體驗降低。地鐵列車行駛過程中的停運或減速頻出，乘客不滿升高，公共交通效率與形象遭受影響，經濟損失和運營維護成本上升由于頻繁電網故障和停電帶來的后果，增加了運營公司壓力[1]。

1.2 需要整流與逆變兩套裝置，成本較高

回饋型方案的主要缺陷體現在必須配置整流與逆變兩套裝置，系統復雜性顯著提高，投資成本整體加劇。借助于交流電向直流電轉換的整流裝置，以及將直流電再向交流電轉換的逆變裝置實現。涉及功率半導體器件、電感、電容等元器件在過程中不止價格昂貴，也占據大量空間，安裝和維護難度增加。以某地鐵項目為例，整流器的采購成本約為50萬元，逆變器的成本約為70萬元，相關的控制系統和輔助設備也需要額外的30萬元，使得傳統逆變回饋方案的總成本達到150萬元。采用雙向變流器或虛擬同步機方案的成本明顯更低，后者分別為110萬元和95萬元，方案成本數據對比如表1所示。

表1所示采用虛擬同步機技術的方案能夠簡化系統架構，提高整體的運行效率，這一成本的降低，有助于推動地鐵能量回饋技術的廣泛應用，并為項目的可持續發展提供了有力支持。

1.3 與交流電網進行能量交換時，諧波會降低電網電能質量

非線性負載產出的電流或電壓波形失真呈現為諧波，頻率處于電網基本頻率的整數倍。回饋型逆變方案在與交流電網能量交換過程中，由整流和逆變環節的非線性特性而常帶來高次諧波生成，這些諧波成分使得電網的電能質量下降，有可能觸發一系列電力系統問題，諧波電流可以用以下公式表示：

（3）

式中：Ih——第h次諧波電流（A），I1——基波電流（A），h——諧波次數，n——衰減指數。高次諧波的存在會引起電力設備的討熱，導致保護裝置誤動作，甚至造成電能損耗。該現象在地鐵系統中尤為突出，因為地鐵在運行中頻繁啟動和制動，產生的功率波動和諧波的增加不僅會影響電力設備的運行壽命，還可能對供電系統的穩定性造成威脅，降低諧波影響，提高電網的電能質量，是當前電力系統亟須解決的重要問題。

1.2 虛擬同步機技術的優勢

虛擬同步機技術的優勢在于其能夠利用控制算法，使系統具備無功調壓的特性，調節無功功率，確保電壓在負載波動情況下保持穩定。該無功調壓功能是通過模擬傳統同步發電機的行為來實現的，確保系統在電網波動時能夠有效支持電網的電壓穩定性，此外虛擬同步機可以基于電網特性設計虛擬慣性，虛擬慣性是對物理系統中慣性特性的模擬，使得系統在功率或頻率突變時能夠像傳統發電機一樣緩沖變化。虛擬慣性設計的核心是控制算法實時分析電網頻率的變化情況，根據電網需求動態調整功率輸出。電網頻率急劇變化時，虛擬同步機能快速響應，提供或吸收瞬時無功功率，降低頻率波動幅度，虛擬慣性可以反饋控制策略實現對頻率偏差的快速響應，保證系統的穩態和動態性能。

2 解決問題

2.1 結合電壓和頻率下垂控制，得到Synchronverter虛擬同步機控制模型

Synchronverter技術作為一種新興的虛擬同步機控制方案，通過結合電壓和頻率下垂控制，能夠有效提升系統對功率波動的響應能力。在該模型中，系統通過實時監測電壓和頻率的變化，采用下垂控制策略動態調整輸出功率，實現對電網狀態的靈活適應。具體而言，電壓和頻率的下垂控制可以用以下數學模型表示：

（4）

式中：Pout——輸出功率（W），Pref——參考功率（W），Vnom——系統的額定電壓（V），fnom——系統的額定頻率（Hz），Vmeas——實際測量的電壓（V），fmeas——實際測量的頻率（V），kV（W/V）和kf（W/Hz）為下垂控制增益。該模型使得虛擬同步機能夠根據電網的實際狀態，實時調整輸出功率，確保系統在功率波動或電網異常情況下的穩定運行。通過構建該模型，Synchronverter能夠有效模擬電力系統中的慣性特性，使系統在面對負荷變化時具備快速響應能力。

2.2 分析固定轉動慣量J的局限性，提出轉動慣量自適應控制策略

固定轉動慣量J的局限性在于無法適應不同工況下的運行需求，實際應用中，地鐵系統的負載和運行狀態變化多樣，固定的轉動慣量往往無法滿足瞬態條件下的功率需求。導致系統在遇到突發負載變化時，無法提供足夠的慣性支持，從而影響電網的穩定性。為了解決該問題，提出了轉動慣量自適應控制策略，該策略實時監測系統負載變化和電網狀態，動態調整轉動慣量值。控制算法根據實時測得的負載變化速率和電網頻率變化率，運用自適應算法計算所需的轉動慣量，以便在不同運行條件下優化系統性能，該策略的數學模型可以表示為：

（5）

式中：Jadapt——自適應轉動慣量（kg·m2），Jnom——額定轉動慣量（kg·m2），kload——負載變化敏感系數（kg·m2/W），——負載變化量（W）。

2.3 搭建小功率試驗平臺，完成雙向變流器相關試驗

為驗證上述控制模型和自適應控制策略的有效性，該研究搭建了一個小功率試驗平臺，進行了雙向變流器相關試驗。該試驗平臺主要由雙向變流器、虛擬同步機控制器、負載模擬器和數據采集系統組成，試驗中通過改變負載模擬器的設置，模擬了不同工況下的負載變化，以測試系統的響應能力和穩定性。試驗的具體過程中，試驗準備安裝雙向變流器與虛擬同步機控制器，連接負載模擬器，確保數據采集系統正常運行。數據采集是在不同負載條件下進行試驗，記錄系統電壓、電流、功率和頻率等參數，通過調整負載模擬器的負載水平，模擬不同的工況。試驗記錄在每個負載狀態下，記錄系統穩定運行的電壓、功率及頻率，計算控制策略實施前后的性能變化[2]。試驗結果表明，在應用自適應轉動慣量控制策略后，系統在面對突發負載變化時，其頻率波動幅度顯著降低，具體數據如表2所示。

如表2所示，采用自適應轉動慣量控制策略后，系統在同樣負載變化情況下，頻率波動幅度明顯減小，電壓穩定性顯著提升。該結果驗證了轉動慣量自適應控制策略在提高電網運行穩定性方面的有效性，試驗結果顯示：自適應控制能夠在不同負載條件下，保持良好的電能質量，滿足地鐵系統的運行要求。

3 地鐵能量回饋雙向變流器性能評估與優化

3.1 控制參數變化對系統動態與穩態性能的影響

調控參數設置中，下垂控制增益、逆變器的開關頻率以及控制算法的響應時間等屬于常見設定，根據這些參數出現的變化，系統便會相應地改動其響應速度、穩定性和電能質量。對于下垂控制增益來說，加大增益可以使得系統對電壓和頻率波動產生更敏感的反饋，這樣系統就能在短時間內快速調整輸出功率并保持電網穩定。但是過高的增益可能在負載發生改變時引起過度振蕩從而導致穩態性能遭受影響，若下垂增益設置過低，雖然能夠提高穩態性能，但系統響應時間將變得較慢，難以快速適應突發負載變化，造成功率因數下降和電能質量下降。控制參數的調整還會影響系統的頻率穩定性，當開關頻率較高時，逆變器能夠更精確地調節輸出波形，改善電能質量。過高的開關頻率會增加開關損耗，影響系統的能效[3]。

3.2 評估系統在整流牽引和逆變回饋兩種模態下的運行效果

地鐵運行過程中，雙向變流器需在整流牽引模式和逆變回饋模式之間切換，整流模式下，變流器將電能從電網轉換為直流電供給牽引負載；逆變模式下，變流器將制動過程中產生的多余電能反饋到電網。不同負載條件下，系統表現出較為穩定的電壓輸出和功率因數，適合于大負載下的運行，整流模式下，系統的輸出功率和電流特性如表3所示。

整流模式下，系統的輸出電壓保持在600 V，功率因數在0.92～0.95之間波動，顯示出良好的負載適應能力與電能質量。在逆變回饋模式下，系統需要處理來自電機制動時回饋的電能，根據試驗數據，逆變模式下的運行效果如表4所示。在該模式下，系統將回饋能量有效地傳輸至電網，并保持電壓與頻率的穩定。

逆變模式下，系統同樣維持600 V的輸出電壓，功率因數在0.96～0.98之間，顯示出較高的能效和電能質量。與整流模式相比，逆變模式的效率略高，表明在制動能量回饋方面，系統的性能更為優越，對整流牽引和逆變回饋兩種模態的比較，能夠得出在不同工況下系統的性能表現，提供了優化控制策略和設備配置的基礎[4]。

4 結語

該文深入研究了基于虛擬同步機的地鐵能量回饋雙向變流器后，結論乃結合電壓和頻率下垂控制顯著提升了電網穩定性與響應能力。如優化下垂增益調整和自適應轉動慣量使用等控制參數，系統在動態與穩態條件下性能得以明顯改善，頻率波動降低，并且電能質量有所提升。而在整流牽引與逆變回饋兩種模式下，雙向變流器展示出優異的電壓穩定性與功率因數，在高效能量管理中起到重要作用。

參考文獻

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