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基于VSG的逆变器并联运行研究

黄耀智  
【摘要】:近些年来,人们对清洁能源的需求量不断增加,分布式新能源发电日趋成熟,随着装机容量的大幅增加,单台大型逆变器越来越难以完成组网任务。因此,多台逆变器并联的方式得到了越来越多的应用。同时,电力电子化设备的大量引入,导致出现了惯性和阻尼不足的情况,再配合新能源如光伏这类发电形式,使惯性和阻尼特性更加欠缺,导致系统无法像传统大型火力发电机组一样能较好应对频率的波动。因此虚拟同步发电机技术(Virtual Synchronous Generator,VSG)应运而生,该方法通过软件上的控制算法将逆变器模拟出传统同步电机的运行特性,并具有参数可以灵活调节的优点。配合并联的运行方式,扩大系统的运行容量。本文对VSG控制方法及基于VSG的逆变器并联运行进行了研究,具体研究内容如下:(1)本文简述了VSG技术的发展过程,分析了本文所使用的VSG的数学模型,有功-频率环和无功-电压环的控制结构,以及逆变单元的电路拓扑。给出了VSG主要控制参数转动惯量和阻尼系数的整定方法。分析了VSG控制与下垂控制的区别,并在Matlab/Simulink中搭建了VSG的单机运行模型进行了验证,还对两个主要控制参数J和D的取值对VSG控制效果的影响进行了仿真或实验验证。(2)对于VSG并联系统,本文以2台VSG于同一节点并联为例,进行了小信号建模分析,针对有功下垂系数、无功下垂系数、转动惯量、阻尼系数、等效输出电阻、等效输出电抗取值的作用效果及稳定域,在Matlab中编程绘制了相应的根轨迹分析,并在Simulink搭建了两台VSG并联运行的模型,对以上各参数逐一进行了仿真或实验验证。(3)对并联系统的环流问题、功率分配不均问题、压降问题的产生原因,本文做了推导,并指明具体影响因素。在VSG并联运行中,本文依照VSG的特点,分析给出了各VSG逆变器支路之间的参数匹配关系。针对传统虚拟阻抗算法将虚拟阻抗配置为远大于线路阻抗的近似控制方法,本文分析并仿真了其控制效果的不足。对于其不能从根本上抑制环流和功率精确分配且造成较大功率损失的问题,本文提出一种基于虚拟阻抗自适应控制的算法,通过反向计算间接获得线路阻抗的具体数值,仅设定总的等效输出阻抗取值,虚拟阻抗则根据线路阻抗和总阻抗自行配置,做到屏蔽掉线路差异的效果。通过Simulink平台或实验平台,本文共计设计了7种工况,从不同容量比、不同负载类型、多台VSG并联、传统算法与自适应算法的切换对比、以及一种非额定工况,逐一进行了仿真或实验验证,结果证明本文所提控制策略达到了环流抑制、功率精确分配、减小功率损失的效果。


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