虛擬同步發(fā)電機(VSG)廣義慣性與無功均分控制策略研究.pdf

1、隨著環(huán)境、能源問題的日益凸顯和可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用，尤其是可再生能源發(fā)電的滲透率越來越高，使得電網(wǎng)系統(tǒng)的慣量也隨之減少，難以維持短時的功率平衡以抑制頻率波動。為此，可以在以電力電子為并網(wǎng)接口的發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用虛擬同步發(fā)電機(Virtual Synchronous Generator，VSG)控制策略，通過模擬同步發(fā)電機的慣性和調(diào)頻調(diào)壓特性以增加系統(tǒng)的電壓和頻率支撐能力。
　　然而，在調(diào)頻控制方面，現(xiàn)有的VSG控制主要基于一階虛擬慣

2、性的VSG策略。而基于一階虛擬慣性的VSG策略雖然可以模擬系統(tǒng)的慣量，抑制頻率的波動，但其存在有功功率穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性調(diào)節(jié)矛盾的問題;在調(diào)壓控制方面，現(xiàn)有的VSG控制主要基于Q-U下垂控制的VSG策略。然而由于各VSG的聯(lián)線阻抗與額定容量不匹配，則難以實現(xiàn)無功均分。而現(xiàn)有增大下垂系數(shù)和增大虛擬阻抗的無功均分方案存在無功均分誤差與電壓控制精度之間矛盾的問題。
　　本文在國家863項目《光伏微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究和核心設(shè)備研制》(2015A

3、A050607)等國家項目的支持下，并依托陽光電源股份有限公司開展的虛擬同步發(fā)電機產(chǎn)學(xué)研項目展開了相關(guān)研究，本文的主要研究和創(chuàng)新如下:
　　(1)研究和分析了VSG的產(chǎn)生背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、與同步發(fā)電機的區(qū)別，總結(jié)了VSG的應(yīng)用領(lǐng)域和關(guān)鍵問題。
　　(2)對比分析了現(xiàn)有的各種VSG數(shù)學(xué)模型，并基于本文采用的控制策略建立了VSG并網(wǎng)和組網(wǎng)小信號模型。研究了電壓閉環(huán)控制、重復(fù)控制、虛擬阻抗算法、預(yù)同步算法等基本控制策略，并針對

4、預(yù)同步算法中的相角差跳變問題，提出了基于乘法鑒相器的預(yù)同步控制策略，消除了相角差跳變，縮短了程序運行時間和預(yù)同步時間。
　　(3)在研究了幾種典型的虛擬慣量和阻尼系數(shù)優(yōu)化設(shè)計控制策略的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)有基于一階虛擬慣性的VSG在孤島運行、并網(wǎng)運行和組網(wǎng)運行模式下，VSG輸出有功穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性調(diào)節(jié)存在矛盾的問題;分析了增大下垂系數(shù)和增大虛擬阻抗算法的開環(huán)無功均分方案存在無功均分誤差與電壓控制精度之間矛盾的問題，以及下垂系數(shù)和虛擬阻抗

5、的變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
　　(4)針對基于一階虛擬慣性的VSG有功穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性調(diào)節(jié)之間的矛盾問題，提出了基于微分補償?shù)囊浑A虛擬慣性，通過在原有一階慣性的基礎(chǔ)上串聯(lián)一個超前補償環(huán)節(jié)，在保持功率穩(wěn)態(tài)特性的同時增大系統(tǒng)阻尼比，減小功率超調(diào)，提高功率響應(yīng)速度。
　　(5)針對基于微分補償?shù)囊浑A虛擬慣性在響應(yīng)初始階段慣量較小的問題，根據(jù)增加調(diào)節(jié)自由度以提高系統(tǒng)控制性能的基本思路，提出了廣義虛擬慣性的概念，給出了廣義虛擬慣性的一般

6、表達式。并以二階虛擬慣性為例，分析了二階廣義虛擬慣性的VSG在孤島運行、并網(wǎng)運行和組網(wǎng)運行模式下系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。研究表明，二階廣義虛擬慣性在維持VSG穩(wěn)態(tài)特性的同時減小了動態(tài)功率超調(diào)，并且克服了基于微分補償?shù)囊浑A虛擬慣性策略在響應(yīng)初始階段慣性不足的缺點。
　　(6)針對現(xiàn)有開環(huán)無功均分方案存在的功率均分誤差與電壓控制精度之間的矛盾問題，提出了基于虛擬電容的無功均分控制策略。該控制策略通過算法模擬VSG輸出端并聯(lián)電容的特性，在