基于虚拟同步机的微电网离网运行与并离网切换控制技术研究

【摘要】：微电网作为利用分布式电源的有效手段,凭借其运行控制和能量管理技术,可以充分利用分布式电源,促进未来智能电网发展。绝大部分的分布式电源都是通过逆变器接入微电网,逆变器快速的动态响应、较小的过载能力、低转动惯量和低短路容量等特性将对微电网的稳定性保持带来了挑战。模拟同步发电机的微电网逆变器(称为虚拟同步机)既具有同步发电机的特性,也能发挥电力电子装置自身的优势,虚拟同步机技术对于提高微电网对新能源的接纳能力,促进中国未来智能电网建设具有重要意义。基于此,本文研究了基于虚拟同步机的微电网离网运行和并离网切换控制技术。本文通过分析同步发电机的数学模型,建立了虚拟同步机的本体模型,参照同步发电机的调速器和励磁系统,设计了虚拟同步机的功频调节器和励磁调节器,模拟了同步发电机的有功调频无功调压功能。为提高系统应对非线性能力,本文提出在虚拟同步机控制系统的电压控制环节引入谐振控制器,定量分析控制参数对控制器性能的影响,在实际运行中可根据系统带宽、增益要求进行调整;给出了虚拟惯量和阻尼参数的整定过程,为后续理论研究和仿真建模奠定了基础。微电网具有离网运行和并网运行两种主要的运行模式,在离网模式下,虚拟同步机需要给本地负荷提供可靠电能,由于本地负荷存在多样性和接入随机性等特点,使得虚拟同步机输出电压不平衡,本文通过分析电压不平衡的产生机理,对比矢量比例积分控制器和比例谐振控制器的性能,提出在电压环中引入矢量比例积分控制,实现输出电压平衡,该控制策略无需对电压进行正负序分离,控制结构易于实现。根据微电网运行情况,有时需要在两种运行模式之间进行切换,为了实现并离网的无缝切换,本文分析了虚拟同步机的自同步特性,阐述了并离网切换过程,通过介绍正弦波锁定器获取电网电压信息工作原理,提出基于正弦波锁定器的预同步控制,可以调节虚拟同步机的输出电压幅值、相位、频率与电网一致,实现微电网离并网无缝切换。最后,本文搭建了虚拟同步机仿真模型,对采取虚拟同步发电机技术的微电网运行在并网模式、离网模式和负载变化情况做了仿真,验证了采取虚拟同步发电机技术的微电网具有优良的性能;验证了所提控制策略在微电网离并网切换过程中的有效性和正确性。