基于软启动控制策略的飞轮储能主动支撑电机设备虚拟阻抗预同步技术

《Electronics》：Virtual-Impedance Pre-Synchronization of Flywheel Energy Storage Active-Support Motor Equipment Based on Soft-Start Control Strategy

　　

结合双馈感应电机（doubly fed induction machine, DFIM）与飞轮储能单元的主动支撑电机设备具备快速有功与无功功率支撑能力，在提升电力系统稳定性方面展现出良好前景。然而，DFIM的启动过程涉及磁链建立、励磁变流器连接及转子转速加速等多重动态阶段，可能导致较大启动电流、电磁转矩波动及变流器功率瞬变。现有软启动方法在启动涌流抑制、附加硬件需求、控制复杂度与启动性能之间仍存在权衡。此外，主动支撑电机设备启动过程中转子侧合闸同步、闭环加速与变流器功率约束的协调控制仍需深入研究。针对上述问题，研究人员提出一种基于虚拟阻抗的转子侧预同步方法。在转子感应电动势与励磁变流器输出电压之间建立虚拟阻抗模型，依据电压差与虚拟阻抗计算虚拟电流，并通过将该虚拟电流调节至零实现转子侧预同步，从而有效抑制合闸瞬间的涌流。在此基础上，制定完整的软启动控制策略。最后，研究人员通过仿真与硬件在环（hardware-in-the-loop, HIL）实验对方法进行验证。结果表明，所提策略将三相转子电流绝对峰值由157 A降至21 A，合闸后首个电周期转子电流有效值由91.287 A降至9.614 A，直流母线电压超调由2.81%降至0.078%，分别对应降低86.62%、89.47%与97.22%。结果证实该策略可有效抑制转子侧合闸涌流，并提升主动支撑设备启动过程的平稳性与可靠性。

研究背景方面，随着可再生能源发电渗透率持续提高，电力系统惯量水平不断下降，频率稳定性问题日益突出。为改善电网频率支撑能力的暂态稳定性，飞轮储能因其高功率密度、长循环寿命与快速响应等优势，逐渐成为构建新型电力系统的关键技术路径之一。双馈感应电机（doubly fed induction machine, DFIM）仅需部分额定容量的变流器即可实现宽范围调速，具有励磁变流器容量小、系统效率高与运行成本低等优点，因此被广泛应用于风力发电与飞轮储能系统。基于此，DFIM型主动支撑电机设备通过在飞轮中存储机械能并经DFIM实现双向机电能量转换，具备发电、储能与无功支撑功能，成为飞轮储能领域的重要发展方向。该类设备需经历从静止到高速储能状态的启动过程，DFIM的启动性能直接决定设备能否安全可靠投运。由于主动支撑设备转子侧背靠背励磁变流器通常按转差功率设计，启动过程既要限制涌流，又要保证机组平滑加速并为励磁变流器提供过载保护。传统方法如在转子回路串接电阻或电抗虽可限流提质，但需大功率附加阻抗及相关开关器件，存在额外损耗、发热与多级切换，不适用于大容量设备频繁启动。短路辅助变流器启动需附加定子短路开关及多阶段操作，控制复杂。直接变频启动虽无需附加阻抗与定子短路装置，但若励磁变流器输出电压与转子感应电动势在频率、相位、幅值上存在偏差，会在转子侧合闸瞬间产生显著涌流，导致变流器过流、直流母线电压波动与电磁转矩振荡。现有定子侧与转子侧静止预同步研究多以断路器两侧电压幅值、频率、相位作为同步判据，尚未建立将多电压偏差映射为统一中间变量的闭环补偿机制，难以与现有励磁矢量控制系统融合；同步后多采用恒V/f控制调节转速，缺乏基于转速偏差的精确闭环调节；且既有研究多聚焦通用DFIM或抽水蓄能机组，对大转差启动下DFIM-飞轮主动支撑设备励磁变流器过载问题关注有限。为此，研究人员开展基于虚拟阻抗的转子侧预同步及完整软启动控制研究，旨在抑制合闸涌流、实现平滑加速并防止励磁变流器过载，相关成果发表于《Electronics》。

研究人员采用的关键技术方法主要包括：建立转子感应电动势与励磁变流器输出电压之间的虚拟阻抗（virtual impedance, Z_v=sL_v+R_v）模型，将电压偏差转换为虚拟电流并在同步旋转dq坐标系下分解得到d轴与q轴分量以分别补偿相位与幅值偏差；在转速—电流双闭环矢量控制中通过阻塞与解阻塞PI调节器输入误差信号实现预同步、转子侧合闸与加速的协调过渡；对转速外环PI调节器输出幅值与变化率进行限制以逐步建立电磁转矩与定子有功功率，使背靠背励磁变流器功率维持在允许范围内；基于MATLAB/Simulink R2022a搭建主动支撑电机设备仿真模型，并在PLECS结合RTBOX实时仿真器搭建硬件在环（HIL）实验平台进行验证。

研究结果部分，首先在数学模型与励磁控制策略中，研究人员给出主动支撑电机设备的拓扑结构，采用发电机惯例描述定子侧、电动机惯例描述转子侧，在dq参考帧常幅值变换下建立DFIM电压方程、磁链方程、电磁转矩方程与转子运动方程，并采用定子磁链定向矢量控制，使d轴对齐定子磁链矢量，实现定子有功功率P_s与转子电流q轴分量i_rq成比例、定子无功功率Q_s与转子电流d轴分量i_rd相关联的解耦控制；启动过程将q轴定子有功外环替换为转速环，全程维持转速—电流双闭环控制而不切换功率—电流双闭环。

在软启动控制策略中，研究人员分析了涌流产生机理，指出合闸前转子感应电动势与励磁变流器输出电压存在由定子磁链幅值瞬变引起的d轴电压偏差及由磁链估计不准确引起的q轴电压偏差，其中q轴偏差因转子速度为零时转差角速度ω₂较大而被放大，是涌流主导因素。据此引入纯阻性虚拟阻抗Z_v=R_v，由电压差ΔU_r=E_r?U_r除以Z_v得到虚拟电流I_v，经坐标变换得i_vd与i_vq，分别以PI调节生成相位补偿量u′_rd与幅值补偿量u′_rq叠加至前馈补偿项Δu_rd、Δu_rq，当|i_vd|≤I_vdth且|i_vq|≤I_vqth（对应相位允许误差Δθ_th=5°、相对幅值误差ε_th=3%）时判定预同步完成。软启动中合闸前阻塞四个PI调节器输入误差，预同步完成后闭合转子侧断路器并解阻塞，通过对转速外环PI输出幅值及达限时间限制，使定子有功功率与转子侧经背靠背变流器功率在大转差初期受限，随转速升高转差减小，避免过载，全程维持转速—电流双闭环结构不变。

在仿真验证与分析中，研究人员在MATLAB/Simulink中设t=0.5 s完成预同步并合闸，结果显示无预同步时三相转子电流绝对峰值157 A、首电周期有效值91.287 A、直流母线电压超调2.81%；采用预同步后分别降至21 A、9.614 A与0.078%，降幅86.62%、89.47%与97.22%，dq轴电流峰值亦显著降低。整机启动仿真中转速参考1650 r/min，合闸后i_rq受限于PI输出率逐步增大，定子有功功率平缓升至?100 kW，转速平滑上升；网侧变流器（grid-side converter, GSC）交流侧与电网交换有功功率最大约?27 kW，表明背靠背励磁变流器未过载；转子电压电流频率随转速升高而下降，超同步时相序反转属正常电磁现象；近参考转速时i_rq与定子有功、转子侧传输功率下降并稳定于补偿损耗水平，i_rd因无功参考0 kVar无明显波动，维持功解耦。电网电压幅值±10%、频率±0.5 Hz扰动下，励磁变流器输出电压可快速跟踪转子感应电动势重新同步，合闸瞬态电流与电压超调仍保持低水平，转速与功率无突变，变流器未过载。速度参考1500 r/min与1350 r/min（同步与次同步）下转速均平滑达参考值，定子有功先升后降，转子侧功率受限无过载，验证策略在多速域有效性。

在硬件在环验证中，研究人员基于PLECS与RTBOX建立HIL平台，实时执行系统与控制器模型，结果显示转速平滑达参考值，定子有功、转子三相及dq电流、转子侧有功变化趋势与仿真基本一致，合闸无显著涌流，转子侧有功全程在变流器允许范围，无显著转速与功率振荡，存在高频纹波与局部波动源于实时离散计算、采样与开关过程但不影响整体启动，证实策略在实时执行环境下仍具良好动态性能与可行性。

总结讨论部分，研究人员指出针对主动支撑设备运行特性，提出的基于虚拟阻抗预同步方法及完整软启动策略，通过在转子感应电动势与励磁变流器输出电压间建立虚拟阻抗模型将电压偏差转为虚拟电流，利用其dq分量补偿相位与幅值偏差以降低转子侧合闸涌流；全程维持转速—电流双闭环，借PI输入误差阻塞/解阻塞实现预同步、合闸与加速协调过渡，并限制转速外环PI输出幅值与变化率以逐步建立电磁转矩与定子有功，防止背靠背励磁变流器过载。仿真与实验证实该方法可有效减小合闸前电压偏差并显著抑制涌流，三相转子电流绝对峰值由157 A降至21 A，首电周期转子电流有效值由91.287 A降至9.614 A，直流母线电压超调由2.81%降至0.078%，降幅分别为86.62%、89.47%与97.22%；启动过程转速平滑达参考值，背靠背励磁变流器功率维持在允许范围；在电网电压幅值频率扰动及不同转速参考下仍能完成预同步并保持平滑启动，表现出良好抗扰与多速域适应性。该策略同时实现转子侧合闸涌流抑制、电机平滑加速与励磁变流器过载保护，满足此类主动支撑设备启动性能要求。

研究结论部分原文翻译为：针对主动支撑设备的运行特性，本文提出一种基于虚拟阻抗的预同步方法及相应的完整软启动控制策略。通过在转子感应电动势与励磁变流器输出电压之间建立虚拟阻抗模型，将两侧电压偏差转换为虚拟电流，并利用其d轴和q轴分量补偿相位与幅值偏差，从而降低转子侧合闸过程中产生的涌流。在整个软启动过程中，转子侧变流器（rotor-side converter, RSC）维持转速—电流双闭环控制结构。通过对PI调节器输入信号的阻塞与解阻塞，实现预同步、转子侧合闸及后续加速之间的协调过渡。同时，通过限制转速外环PI调节器输出信号的幅值与变化率，逐步建立电磁转矩与定子有功功率，从而防止背靠背励磁变流器过载。仿真与实验结果表明，所提出的预同步方法可有效减小合闸前转子感应电动势与励磁变流器输出电压之间的偏差，并显著抑制转子侧合闸瞬间产生的涌流。与无预同步控制相比，三相转子电流绝对峰值由157 A降至21 A，合闸后首个电周期转子电流有效值由91.287 A降至9.614 A，直流母线电压超调由2.81%降至0.078%，分别对应降低86.62%、89.47%与97.22%。在随后的启动过程中，电机转速平滑上升至参考值，同时通过背靠背励磁变流器的功率保持在允许范围内。此外，在电网电压幅值与频率扰动及不同转速参考下，所提策略仍能成功完成预同步过程并保持平滑的启动过程，表明其在电网电压扰动与不同目标转速条件下具有良好性能。综上，该控制策略同时实现了转子侧合闸涌流抑制、电机平滑加速与励磁变流器过载保护，满足了此类主动支撑设备的启动性能要求。

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