摘要：近年来，随着风能、太阳能等新能源技术的发展和应用，微电网越来越多地受到人们的重视。微电网具有分布式结构，能提高电网的可靠性，它通常含有分布的多种直流能量来源，该直流源由多台并网逆变器逆变为交流后参与并网，给负载设备供电。各并网逆变器的有功和无功负荷如何分配是微电网要解决的关键技术问题。虚拟同步发电机是模拟传统同步发电机特性的并网逆变器，其可实现并网逆变器的控制，根据电网电压和频率变化自动调节输出有功和无功，即频率和电压下垂机制。
关键词：虚拟同步发电机；逆变器；并网技术
近年来，由于能源、环境、技术等因素，人们开始将目光从传统能源转向可再生能源。随着可再生能源发电—尤其是光伏发电和风力发电装机容量的迅猛增长，越来越多的分布式电源（Distributed Generation，DG）并入大电网，它们在环境保护、能源结构调整和技术发展方面的巨大潜力日益明显[fll。分布式发电具有多重优点：（1）环保低碳，可减少对化石能源的依赖；（2）能够增强供电可靠性、提高供电质量；（3）节约成本；（4）可提高输电线路利用率。不过，高渗透率的分布式发电会冲击和影响大电网，尤其是配电网。因此，如何保证电力系统的安全、稳定运行，成为分布式发电技术的一大挑战。
1 虚拟同步发电机原理
同步发电机并网“有功一频率控制”和“无功一电压控制”是目前应用普遍、发展较为成熟的并网控制方式。虚拟同步发电机仿照同步发电机的模型，以算法的形式模拟同步发电机的各项运行特性，完成和同步发电机的一样的功能。
1.1 同步机并网控制算法原理
VSG能稳定工作在离网、并网以及这两种模式的切换状态，同步并网控制技术至关重要。VSG由离网运行状态切换到并网运行或者投入并联时，若频率、相位或电压幅值与其他系统或者大电网不一致，强行并联或者并网会造成大的冲击电流，导致事故发生。在并网之前首先要进行同步控制，这是虚拟同步机运行的重要环节。
1.2 同步发电机并网控制原理
同步发电机投入并联或者并网时，为了避免和电网产生较大的冲击电流，投入并网的同步发电机应满足下列条件：（1）相序应与电网一致；（2）频率应与电网相同；（3）激磁电动势应与电网电压大小相等，相位相同。根据并网的具体要求：并网前系统电压偏差不超过额定电压的10%，相位偏差不超过100，频率偏差不超过1%。为了投入并网所进行的调节和操作过程，称为整步过程。实际的整步方法有两种：准确整步法；自整步法。
1.3 虚拟同步发电机同步并网控制原理
虚拟同步发电机由离网到并网状态切换时也要满足并网的三个条件。参考同步发电机的并网法方式并结合虚拟同步机电力电子器件控制的灵活性和快速性的特点，设计VSG的同步并网控制方案可以分为两类：含锁相环的同步并网控制；不含锁相环的同步并网控制。
1）基于锁相环技术的同步控制原理
要实现虚拟同步机与电网电压同步，需要对虚拟同步机端电压和电网电压进行频率差、幅值差和相位差控制。根据上一章节研究的虚拟同步机算法，虚拟同步机的频率、相位和幅值信息在功率控制环路中就能获得，而要获取电网的频率、相位和幅值信息我们需要用到锁相环控制技术（PLC）。
2）含锁相环的同步并网控制原理
显然锁相环的增加会导致系统控制模式变得复杂，如果能模拟同步发电机的自整步法，实现虚拟同步机系统不需额外添加锁相环路来实现并网，可以简化控制系统。
2 技术分析和应用
2.1 系统结构设计
系统主要包括主电路、DSP+FPGA控制单元、上位机通讯单元（LCD显示屏）三大块。其中，主电路主要包含蓄电池、buck-boost变换器、逆变器、滤波器四部分；DSP+FPGA控制单元主要控制buck-boost驱动脉冲发生、逆变器驱动脉冲发生、虚拟同步机算法完成、与LCD显示屏通讯四个功能；LCD显示屏通过RS485与DSP进行通讯，既可以读取DSP对电路的采样值，也可以发送电路运行指令。
2.2 主电路设计
根据项目设计要求，系统设计应当满足以下指标：逆变器输出额定功率：10kW最大交流侧功率：12kW。逆变器直流侧输入额定电压：800V，直流侧输入额定电流：15A。逆变器输出参数：额定输出电压：380V；输出电压范围：310-450V；输出频率要求：50Hz士1%；稳定运行总电流波形畸变率：＜3%；稳定运行总电压畸变率：＜5%。逆变器具有完善的保护功能，包括直流侧过压/过流保护、交流侧过压/过流保护、短路保护等多种等综合保护策略。根据以上要求，对主电路进行设计。
2.3 驱动电路设计
双向DC-DC变换器、三相四桥臂逆变器所用IGBT的驱动为Concept公司型号为2SC0108T的驱动芯片，该芯片是目前工业应用中集低成本、超紧凑于一身的新型SCALE-2双驱动核。在该驱动芯片的众多管脚中，MOD，TB管脚较为关键，其配置直接影响到模式选择和阻断时间配置。MOD（模式选择）：通过MOD输入端可以选择两种工作模式—直接模式和半桥模式，方法是通过一个电阻将其连接到GND。如果MOD输入端通过一个0欧电阻连接到GND，则选择了直接模式。在这种模式下，两个通道之间相互独立，互不影响。
2.3 硬件设计
发电机柜是系统主体部分，包含驱动板、IGBT模块、LCL滤波器、采样电路、辅助电源、DSP+FPGA开发板、调理电路、继电保护装置、变压器等。
DSP的全称是Digital Signal Processor，即数字信号处理器。FPGA的全称是FieldProgrammable Gate Array，即现场可编程门阵列。DSP+FPGA结构最大的特点是体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、结构灵活、有较强的通用性、适于模块化设计，既能提高算法效率又能缩短开发周期，从而使得系统易于维护和扩展。
2.4 软件设计
TMS320F2407具有两个事件管理器EVA和EVB；每个事件管理器都有：2个16位通用定时器、8路16位比较/脉宽调制通道、16通道12位AD转换模块等等。与硬件电路相对应，TMS320F2407的软件设计如下图所示。IPM1的6路驱动脉冲信号由EVA的6路PWM提供，BUCK电路的IGBT由定时器1的T1PWM引脚输出脉冲控制。IPM2的6路驱动脉冲信号由EVB的6路PWM提供，BUCK/BOOST电路的IGBT由定时器3的T3PWM引脚和定时器4的T4PWM引脚输出脉冲控制。
综上所述，对虚拟同步发电机并网技术进行了研究。主要完成了以下工作：研究了虚拟同步发电机的模型、原理，以此为基础对虚拟同步发电机进行了simulink建模仿真。完成了虚拟同步发电机系统整体设计，其中包括Buck-boost变换器、三相四桥臂逆变器、LCL滤波器的硬件设计和控制算法设计。搭建了1OkW虚拟同步发电机试验系统，并对样机进行了测试和试验。
参考文献：
[1] 张武.微网逆变器双模式平滑切换的控制策略研究[D].安徽理工大学，2015.
[2] 李德胜.微网逆变电源控制策略研究[D].浙江工业大学，2014.
[3] 毛福斌.微网逆变器的虚拟同步发电机控制策略研究[D].合肥工业大学，2016.
论文作者:徐凤辉
论文发表刊物:《电力设备》2017年第4期
论文发表时间:2017/5/17
标签：发电机论文; 逆变器论文; 电网论文; 电压论文; 电路论文; 频率论文; 变换器论文; 《电力设备》2017年第4期论文;