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分布式电源的虚拟同步发电机控制技术研究

孟建辉  
【摘要】:近年来,分布式能源在电力系统中渗透率不断增加的同时,也给电力系统的安全稳定运行带来新的影响与挑战。因为基于电力电子逆变接口的分布式电源不具备有利于保持系统稳定运行的旋转惯性和阻尼分量,而这些正是传统电力系统中占支配地位的同步发电机所固有的特质。虚拟同步发电机控制技术作为一种能够使分布式逆变电源具有与同步发电机相似特性的方法,对于提高电力系统的稳定性具有重要的支持作用。本文首先在对分布式电源系统建模及控制策略分析的基础上,提出了一种工作在并网模式下的新型虚拟同步发电机控制策略。其次,为了便于分布式电源工作在独立运行模式,提出了一种自治模式的虚拟同步发电机控制策略。然后,在以上所提控制策略的基础上,针对其中主要的控制参数进行了小信号分析。再者,依据虚拟同步发电机控制策略中惯量可以灵活调整的思想,提出了一种自适应惯量的灵活虚拟同步发电机控制策略。最后,在搭建的简单微电网系统的Matlab/Simulink仿真模型及物理实验平台中对相关控制策略进行了验证。本文的主要研究内容如下:(1)研究了光伏储能系统的工作原理、数学模型及等效电路,分析了分布式电源逆变控制系统的控制方法,提出了一种改善电力系统稳定性的并网型虚拟同步发电机控制策略,在此控制策略中,将同步发电机的转子运动方程、一次调频特性及无功调节延迟特性引入到逆变电源的上层控制中,在简化算法的情况下,较好的模拟出了同步发电机的有功频率及无功电压特性,底层控制则根据同步发电机的并网矢量关系得到。(2)考虑到分布式电源工作在独立带负荷的情况,在并网型虚拟同步发电机控制策略基础上,提出了一种自治模式的虚拟同步发电机控制策略,采用该自治模式控制策略的分布式电源可以方便的工作在独立带负荷的状态,且模拟了同步发电机的下垂控制特性。在此控制策略中,针对有功-频率和无功-电压控制器进行了改变,内环采用了基于比例谐振控制的不需解耦的电压电流控制器,对正弦信号的跟踪起到了较好的效果,分析了采用跟踪正弦信号更好的比例谐振控制器原理,并对其中主要控制参数的设计进行了分析和说明。(3)建立了并网和自治两种模式下分布式电源的小信号模型,采用特征值的方法,针对虚拟同步发电机控制中主要控制参数对系统稳定性的影响进行了分析,给出了这些控制参数在设计时需要遵循的原则和方法。理论分析了虚拟同步发电机控制与改善系统频率稳定性的重要关系,并且将其与下垂控制进行比较,说明了虚拟同步发电机控制相比于下垂控制的优点。(4)在充分研究与分析所提并网型虚拟同步发电机控制策略的基础上,根据控制策略中惯量可以随着系统频率的不同变化幅值进行灵活调整的思想,提出了一种自适应惯量的灵活虚拟同步发电机控制策略,将系统中的惯量大小与频率的变化率之间建立一定的函数关系,增加了分布式电源虚拟同步发电机控制系统的灵活性和自适应性,对进一步改善系统的频率稳定性有较好的实际意义。(5)在Matlab/Simulink仿真软件和实验室中分别搭建了含分布式电源的微电网系统的数字仿真模型及物理实验平台,针对相关的理论分析及所提出的控制策略进行了较为充分和细致的验证,表明所提控制策略在改善微电网系统频率稳定运行方面具有较好的支持作用。


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