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主动配电网储能变换器的VSG运行控制研究

丁校勇  
【摘要】:随着能源短缺和环境问题的日益突出,分布式电源和储能技术得到了快速的发展。目前,分布式电源和储能单元通常先组成微网,再通过微网并入电网之中。为了更好的提高电源利用率,在微网的基础上,主动配电网被提出。主动配电网采用主动管理分布式电源、储能设备和客户双向负荷的模式,拓扑结构灵活,电源利用率高。但是与传统配电网相比,主动配电网中存在大量电力电子装置,缺少阻尼和惯性,系统容易出现不能稳定运行的状况。而采用虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制策略的储能变换器通过模拟同步发电机特性,增加系统惯性,对于主动配电网的稳定可靠运行有重要意义。本课题主要研究了基于VSG算法的储能变换器控制策略,主要针对并网工况下的主动配电网能量配置、谐波抑制和平滑冲击等方面的问题进行研究。在解决上述问题的同时,储能变换器仍能保持自身较好的惯性和阻尼特性。另一方面,从电网电压出现异常的角度考虑,降低电网电压异常对基于VSG算法的储能变换器的并网电流的影响,保证储能变换器的并网电流质量较好。首先阐述电流型VSG的控制原理,分析了VSG算法中功率环的结构和调频调压特性,并研究了VSG算法功率环主要参数对系统的影响;接着分析了比例积分(PI)控制器、比例谐振(PR)控制器、准比例谐振(QPR)控制器工作原理,分析不同控制器的工作特性并选择QPR控制器作为本文储能变换器的电流内环控制器。其次针对主动配电网中不同负载情况,本文重点阐述了:基于VSG算法的无功补偿策略,详细讨论了负载瞬时无功功率的计算方法,给出无功补偿的方式,通过仿真验证VSG储能变换器对不同负载下无功补偿的可行性;基于VSG算法的储能变换器对非线性负载的谐波抑制策略,最后给出了谐波抑制的仿真验证结果;此外,本文还对电动机启动时并网电流过大的问题提出了基于VSG算法的平滑电机并网电流的方法,并且使VSG能保持原有的惯性与阻尼特性,并给出了相关仿真验证。针对电网出现异常工况时,引起的基于VSG算法的储能变换器并网电流异常问题,提出了基于VSG算法的控制策略。首先分析电网电压含有谐波及电网三相电压不平衡两种异常状况对VSG并网电流质量的影响和原因。其次分别提出改善并网电流质量的控制策略,在电压含有谐波时,进行电流前馈补偿控制,在电压不平衡时,进行正负序分离和负序电流控制,解决了电压异常带来的负面影响。最后,通过仿真验证了所提控制策略的正确性和有效性。最后,本文在30kW实验平台上对基于VSG储能变换器的电机并网电流平滑控制、无功补偿等进行了实验验证,结果表明本文所采用方法有效。


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