学术简报︱基于虚拟阻抗的虚拟同步整流器三相不平衡控制策略
东南大学电气工程学院、河海大学能源与电气学院、国网江苏省电力有限公司电力科学研究院的研究人员缪惠宇、梅飞、张宸宇、杨赟、郑建勇，在2019年第17期《电工技术学报》上撰文指出，随着电力电子装置渗透率的升高，电力系统旋转备用容量和转动惯量大大降低，采用虚拟同步机（VSM）技术能够改善系统稳定性。但目前VSM技术主要针对理想电网下的运行模式，当出现三相不平衡情况时系统无法正常运行。
该文在VISMA模型的基础上，搭建虚拟同步整流负荷模型，针对电网不平衡进行功率分析，实现正负序解耦，通过复数滤波器检测正负序分量。通过改变模型中电气部分的虚拟阻抗，并自适应调节无功控制模块，保证直流侧负载电压稳定。搭建基于Matlab/Simulink的仿真模型，验证该方法的有效性，并基于dSPACE进行实验验证。
新能源、可控负荷以及电力电子装置大量接入电网，在电力系统中的渗透率越来越高。与传统的同步电机相比，电力电子设备不具备阻尼和惯性，由此使得电力系统中旋转备用容量和转动惯量大大降低。为了保证电力系统的可靠性和安全稳定性，考虑到电力电子设备灵活可控的特点，可以在控制策略上进行改进，提高电力电子设备对电网的友好性。
虚拟同步机（Virtual Synchronous Machine,VSM）是在传统同步电机的理论基础上，模拟同步电机的工作原理，使得电力电子设备在外特性上表现出惯性和阻尼。目前，该技术主要应用于分布式电源并网以及微网控制，针对虚拟同步整流器，则主要关注于其外特性。目前国内外学者针对VSM提出了多种不同的控制模型，主要有欧洲VSYNC方案、德国VISMA方案、Synchronverter方案和GEC方案等。
但上述模型均是针对电网在理想情况下运行所提出的，在实际运行中，由于短路、负载不平衡等多种情况，电网可能会出现三相不平衡，其有功、无功传输中将会出现二倍频波动。针对整流负荷，其直流侧电压同样会出现二倍频波动，影响用户负荷的正常运行。
传统的不平衡控制算法主要是利用传输功率参考值直接计算得到正负序电流的参考值，通过正负序解耦的方式实现不同控制目标，或直接进行功率控制抑制二倍频波动，还有学者提出采用电流预测技术实现三相不平衡控制。但是VSM控制结构与传统逆变器存在一定的差距，传统的不平衡控制算法无法直接用于VSM策略中。针对VSM的三相不平衡控制，已经有学者进行了相关研究。
有学者利用平衡电流VSM控制得到dq坐标系下的基准正序电流指令值，再针对不同的控制目标，改变dq轴电流参考值。但该系统较为复杂，计算量较大。
有学者基于正负序解耦的思想，提升VSM带不平衡负荷的能力，抑制不平衡负荷引起的电压不平衡。
有学者利用VSM在dq坐标系下的特点设计电流指令计算方法，使VSM在各种类型的不平衡电压下实现负序电流抑制，但是dq轴电流计算明显增加了计算量。
本文针对并网负荷，采用VISMA虚拟同步机并网模型，简化控制框图，并提出基于虚拟阻抗的三相不平衡控制策略，采用复数滤波器进行正负序分离，利用模型中电气部分参数，在αβ旋转坐标系中通过计算虚拟阻抗调节电流参考值，降低系统运算量，自适应调节无功控制模块，最终保证直流侧负载电压稳定。仿真结果和实验结果验证了本文所提出方法的正确性和有效性。
图7 基于虚拟阻抗的改进型虚拟同步整流器控制框图
本文基于虚拟同步机中的VISMA模型，在其基础上，提出了一种适用于电网电压不平衡时的改进型虚拟同步整流器控制。通过CCF实现正、负序分离，并分析其有效性。充分利用VISMA模型的特点，改变电气部分虚拟阻抗，抑制功率传输二倍频波动，自适应调节无功控制模块，最终保证直流侧电压稳定。
本文所采用的改进控制策略在αβ旋转坐标系中进行运算，大大降低了系统计算量，且不平衡工况和正常工况无需进行切换，易于工程实现。仿真和实验结果验证了本文方法的有效性。但是目前VSM在电网异常情况下的研究刚刚起步，针对不同VSM模型以及在三相不平衡、电压跌落、谐波超标等工况下的VSM控制策略仍然有待进一步研究。