动态响应特性在线自寻优的储能虚拟同步控制策略

微电网中的虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)往往需要在大电网和微电网等不同电网强度下切换运行,因而必须具有在工作点剧烈变化情况下保持良好动态特性的能力。然而,VSG参数的整定通常是预先按照额定静态工作点进行的,无法跟随电网强度变化而调整。针对这一问题,提出了一种动态响应特性在线自寻优的自适应虚拟同步控制,通过施加有功和无功功率的扰动来检测电网阻抗,再进行参数自适应优化,使得VSG在电网强度变化前后具有较好且一致的响应特性。在RTDS-DSP硬件在环半实物仿真实验平台上搭建光-储-柴微电网模型,通过相关实验验证了方法的有效性。     

具有暂态阻尼特性的虚拟同步发电机控制策略及无缝切换方法

针对常规二阶虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制中存在的一次调频特性与传统阻尼特性相互影响的问题,提出了引入反映同步发电机阻尼绕组特性的暂态阻尼环节的解决方法,同时实现VSG对同步发电机暂态特性和稳态特性的模拟,建立了具有暂态阻尼特性的VSG控制的小信号动态模型,通过广义根轨迹法定性分析了VSG控制参数对系统稳定性的影响,并结合频域特性指标,利用主导极点法对控制参数进行定量设计。针对VSG并网过程中可能出现的电流冲击,提出了基于直接电压鉴相原理的预同步控制策略,实现无锁相环VSG控制在不同运行模式之间的无缝切换。最后,利用搭建的微电网仿真平台,验证了理论分析的正确性以及所提预同步方法的有效性。     

微网中虚拟同步发电机技术研究

以国家能源局多能互补主动配电网示范工程中三号子微网为研究对象,研究了含光伏发电、储能的微电网系统中的虚拟同步机(VSG)技术。介绍了虚拟同步机技术原理、拓扑及控制方案,设计了虚拟功率的功率控制方法,分析了定子电气方程的电压外环特性;针对VSG调频性能和动态性能2方面的需求,提出一种参数设计约束条件,确保VSG在满足调频性能要求的同时,具有良好的动态特性;针对由150 k W光伏、400kW储能、100 kW VSG组成的微网系统,进行黑启动、计划性离/并网切换、非计划性离/并网切换等实验,在多工况下验证了所采用的VSG方案的可靠性。     

基于VSG的储能系统并网逆变器建模与参数整定方法

从并网逆变器主电路和同步发电机等效电路的对应关系出发,提出模拟同步发电机转子的运动方程、有功-频率下垂特性与无功-电压下垂特性的虚拟同步发电机(VSG)外环控制策略。引入虚拟阻抗模拟同步发电机定子电气方程的电压环,和基于准比例谐振控制器的电流环共同构成应用于储能系统并网逆变器的VSG控制策略。建立应用于储能系统并网逆变器的VSG动态小信号模型,分析其参与电网需求响应的机理。推导得出VSG参与电网调压/调频需求响应的动态模型,为研究电网电压/频率波动时VSG无功/有功输出特性提供依据;进而在保证有功环、无功环的稳定性与调压/调频动态性能的条件下,总结得到VSG关键参数的整定方法。最后通过仿真与实验验证了所提VSG参与电网调压/调频动态模型的正确性与参数整定方法的有效性。     

含多虚拟同步发电机的微电网二次调频策略

针对微电网低惯性特性使得其频率易受负荷波动影响而偏移出额定值的问题,提出一种基于虚拟同步发电机(VSG)的二次调频方法。首先,在分析电力系统调频原理的基础上,提出了在VSG功频控制中引入二次调频控制器来实现频率的无差控制。其次,针对含多个VSG并联运行且都参与二次调频的情况,通过对二次调频控制环节进行改进,使VSG不需要借助于微电网中央控制器间的协调控制,即可实现无差调频。同时,该策略的提出使得VSG能够根据自身额定容量自主分配负荷功率,提高了微电网经济运行能力。最后,仿真结果和实验结论验证了所提理论分析的正确性和实用性,所提方法可有效地改善微电网的频率特性和经济运行特性。     

虚拟同步机惯量及阻尼系数协调优化方法

为了提升虚拟同步机(virtual synchronous generator,?VSG)在各种扰动下的动态响应,提出了一种虚拟惯量及阻尼系数的参数协调优化方法。推导了VSG有功指令与输出电磁功率之间的二阶传递函数,定量分析了VSG动态响应特性与虚拟惯量及阻尼系数的关系。在扰动的初期调整两参数使VSG呈欠阻尼状态实现加快调节,在扰动后期则使VSG呈过阻尼状态来减小超调,兼顾功率调节速度和频率稳定性,降低储能充放电深度。最后,基于Matlab-Simulink仿真软件开展了VSG出力扰动和电网故障扰动下的仿真,对比参数优化前后的动态响应。结果验证了所提优化方法的优越性及稳定性,可以有效提升VSG的动态响应能力,延长VSG储能寿命。     

基于钒流电池储能的虚拟同步发电机控制策略

构建基于钒流电池储能的虚拟同步发电机(VSG),使微电网具有同步发电机惯量大、输出阻抗大等特性。采用同步发电机5阶方程作为VSG本体模型,双向Buck-Boost变换器作为连接钒流电池储能装置与VSG的桥梁,在调频单元中加入2次调频及对转动惯量和阻尼值的合理设置,可以省去传统的预同步单元,在4象限内准确地跟踪有功和无功功率,实现VSG离网到并网平滑切换。     

新能源虚拟同步机多参量自适应控制策略

虚拟同步机(VSG)因集成了传统同步机的运行机制以及电力电子设备控制灵活、响应迅速等优势,成为当前并网技术研究的热点。随着分布式能源大规模接入电网,传统的VSG控制技术已无法满足电网接入的要求。此处综合考虑风电、光伏等新能源出力的随机波动性、逆变器控制策略对电网频率的影响,以及不同工况下电网对转动惯量的需求,提出了一种计及VSG输出功率、频率调节以及虚拟转动惯量等多参量的自适应控制策略,实现了VSG自主参与电网调频以及并/离网切换运行,同时具有优良的暂态特性。最后通过500 kW VSG实验样机对上述各环节的自适应控制可行性和正确性开展了实验验证。     

基于有功前馈补偿的储能VSG并网有功振荡抑制策略

为解决传统储能虚拟同步机(virtual synchronous generator, VSG)的并网有功由于其一次调频系数与虚拟阻尼系数相互耦合而存在稳态偏差与动态振荡难以兼顾的问题,提出一种基于有功前馈补偿的储能VSG并网有功动态振荡抑制策略。该策略利用有功经一阶低通滤波器后前馈至并网有功闭环控制回路,通过调节前馈系数优化储能VSG并网有功的动态性能且无需进行微分运算,同时不影响储能VSG的一次调频特性。然后,建立基于有功前馈补偿的储能VSG并网有功闭环的小信号模型,并给出前馈系数的整定方法。最后,利用仿真与实验测试对比结果共同验证了所述策略在有功指令与电网频率2种阶跃扰动下可有效消除储能VSG并网有功的稳态偏差及其动态振荡,且不存在频率过冲的风险。     

VSG一次调频和转速振荡阻尼的解耦控制方案

现现有二阶模型的VSG控制方案,对一次调频和转速振荡阻尼功能的定位与区分并不明确,表现为阻尼系数或有功调频系数的取值会同时影响到VSG的稳态功率/频率偏差和振荡阻尼性能。分析了一次频率调节和转速阻尼的物理本质,提出采用转速阻尼功率高通反馈和一次调频功率低通反馈改进VSG功频控制模型,实现了一次调频和转速阻尼作用的区分。根据同步发电机组的电磁暂态、机电动态以及稳态响应的频域特性,将VSG的调节器分为高、中、低3个作用频段。进而,分别在单机并网模式和双机并联模式下分析了一次调频和转速阻尼的频域响应特性。实验表明:所提方案同时实现了稳态功率调差分配和转速振荡抑制两个目标,并且这2个目标分别与VSG的调频系数和转速阻尼系数对应。     

改善虚拟同步发电机阻尼特性的设计方法

虚拟同步发电机(virtual synchronous generators,VSG)控制基于虚拟同步机制可以增大电力系统等效转动惯量,改善电网稳定性。但是由于虚拟同步发电机模拟传统电机的机电暂态特性,传统电机的动态稳定性问题也因此被引入到虚拟同步发电机中。通过建立虚拟同步发电机的动态模型,发现线路电感会对系统等效产生负阻尼力矩;采用复数力矩系数法,分析得到虚拟励磁调节器同样会在控制回路中等效叠加阻尼力矩,存在功率振荡的风险。为改善系统阻尼特性,采用虚拟阻抗控制策略改善电感等效阻尼;并提出一种虚拟电力系统稳定装置(power system stabilizer,PSS)设计方法,可以实现虚拟励磁等效力矩的补偿。最后,通过搭建仿真平台,验证虚拟同步发电机中存在的负阻尼特性以及补偿设计方法的有效性。     

基于暂态阻尼增强的改进VSG控制策略

针对虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)并网运行时在有功指令和电网频率扰动下存在输出有功暂态振荡问题,提出了一种基于暂态阻尼增强的改进VSG控制策略。首先,基于状态反馈理论,分析了所提控制方法的物理意义,即该策略是通过在常规VSG有功控制环中加入角频率和电磁功率的高频分量来增强系统暂态阻尼。然后,基于所提的控制方法,建立了系统的有功控制环闭环小信号模型,并通过对系统特征根的根轨迹进行分析揭示了所提控制方法对VSG有功功率振荡抑制的影响。并给出了各状态反馈参数的设计准则,指导了反馈系数的设计。所提控制策略能有效抑制有功指令突变和电网频率突变时VSG输出有功功率振荡,并且不会影响系统的稳态特性。最后,通过仿真和实验对比分析,表明所提控制方法具有更好的有功功率振荡抑制效果,并且能消除稳态偏差,且适用于不同电网强度。     

梯度因子估计虚拟同步发电机阻尼的配置方法

针对电网接入分布式发电机时出现的功率振荡问题,建立了虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制的并网逆变器功率控制模型。以功率圆模型推导VSG控制的摇摆方程,引入梯度因子实现了摇摆方程中有功和无功功率的线性独立控制。建立输入输出功率最优二阶阶跃响应模型,设计出线性独立VSG控制摇摆方程阻尼配置方法,阻尼比取0.707时系统的功率振荡恢复到稳定状态的动态响应效果最优。仿真结果表明了所采用的梯度因子和阻尼配置方法的有效性。     

基于微分补偿环节虚拟惯性的虚拟同步发电机控制策略

针对常规基于一阶环节虚拟惯性的虚拟同步发电机(VSG)并网运行时输出功率控制动、稳态特性存在矛盾的问题,提出了基于微分补偿环节虚拟惯性的VSG控制策略,该控制策略在常规VSG控制结构前向通道加入微分补偿环节,从而在保证输出功率稳态控制精度的同时,加快了动态功率响应速度,增加了系统阻尼,有效减小了储能单元动态过程的功率冲击。仿真和实验验证了所提方案的有效性。     

基于模糊控制的自适应虚拟同步发电机控制策略

为了解决分布式能源与电力系统兼容的问题,采用虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)技术,将同步发电机的虚拟惯量和阻尼系数引入逆变器控制,以提高系统的频率响应特性和电网应对扰动能力。在此基础上,提出一种基于模糊算法的自适应VSG虚拟惯量和阻尼系数控制策略。根据同步发电机角频率变化率和角频率偏差的变化规律,重新设计模糊规则调节虚拟惯量和阻尼系数,以提高VSG的控制效果。仿真结果表明,该策略能够合理地抑制瞬态过程中VSG频率和功率的波动,维持电网的稳定运行。     

基于递推最小二乘法的虚拟同步发电机参数辨识方法

基于虚拟同步发电机(VSG)控制的逆变器能够为微网提供惯性和阻尼,提出一种VSG参数辨识方法,为微网的优化设计提供基础。首先建立了VSG输出功率对指令功率的二阶传递函数模型,然后根据基于VSG控制的逆变器在响应阶跃指令功率后的输出,利用模型参数与惯性和阻尼系数的关系,并基于递推最小二乘法辨识出逆变器提供的惯性和阻尼系数。进一步分析了稳态平衡点偏移以及双线性变换给辨识结果带来的误差,结果表明利用递推最小二乘法辨识VSG参数能够满足一定的精度要求。最后,通过MATLAB仿真和实验验证了所提参数辨识方法的可行性和有效性。     

电网频率偏差下虚拟同步发电机改进控制研究

虚拟同步发电机(VSG)由于模拟了同步发电机(SG)的调频调压特性和惯性阻尼作用而得到广泛关注。传统的VSG特性分析一般针对电网频率为额定频率的情况,当电网频率不等于额定频率时,仍然采用传统VSG控制将会使VSG动态特性发生变化以及输出有功功率稳态值出现偏差,现有文献对电网频率偏差下的VSG动态特性缺乏分析且现有方案不能完全解决有功功率偏差问题。文章首先分析了电网频率偏差对VSG有功功率和频率特性造成的影响,进而提出一种改进有功频率控制策略,并对改进控制策略进行分析。最后通过matlab/simulink仿真验证所提控制策略在改善动态特性和消除稳态偏差方面的有效性。     

基于惯量支撑和一次调频需求的VSG储能单元配置方法

分布式电源大量接入电网会引发电网惯量、阻尼缺失和系统稳定性下降问题,虚拟同步发电机(VSG)在分布式电源友好接入和提高电力系统稳定性等方面极具应用前景。作为虚拟惯量的物理基础,储能单元的配置直接影响着VSG的性能和成本。文中基于VSG的惯量支撑、一次调频两大基本功能,建立了响应电网频率波动的储能单元出力模型,提出了一种以元件参数和控制参数为基础的储能单元配置方法。然后,计及下垂系数、阻尼系数和惯性常数,研究了储能单元出力的暂态特性及其调节机制,并分析了储能单元功率、容量需求受控制参数影响的机理,明确了影响程度最大的控制参数。最后,借助仿真和实验证明了所提方法的正确性。