基于虚拟同步控制的双馈风电并网系统暂态功角稳定研究综述与展望

随着新能源渗透率增加,电力系统惯量、阻尼逐渐降低,稳定性问题日益凸显。虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)技术作为一种提高新能源发电系统主动支撑电网能力的有效手段而获得广泛关注与应用,VSG并网系统暂态功角稳定问题也成为研究热点。首先介绍了电力系统暂态功角稳定分析方法,然后分析了常规双馈风电机组(doubly-fed induction generator,DFIG)接入对电力系统暂态功角稳定的影响,在此基础上,分析了采用不同技术路线的风电VSG并网系统暂态功角稳定分析的关键问题与研究现状,并对VSG并网系统暂态功角稳定的进一步研究进行了展望。     

虚拟同步发电机暂态稳定协同控制

虚拟同步发电机(VSG)技术能够为可再生能源的接入提供惯性和阻尼,实现可再生能源的友好入网,改善系统稳定性,但受容量限制,VSG暂态稳定性面临着严峻的挑战。为此,分析VSG无功参考值对其暂态稳定性的影响,在此基础上,基于协同控制理论提出以虚拟功角和频率为宏变量的VSG暂态稳定协同控制策略。不同情况下的算例验证了所提VSG暂态稳定协同控制策略的正确性和有效性。     

考虑故障限流的VSG暂态功角稳定控制方法

当电网发生严重故障时,虚拟同步发电机(VSG)易发生功角失稳并导致故障电流越限,现有方法大多忽略功角失稳与故障过流之间的内在关联性而将二者单独处理,导致二者难以同时解决。为此,分析了VSG的暂态功角特性和故障电流特性,阐释了产生上述问题的原因及相互关系;基于相图理论分析了多影响因素下VSG的暂态功角稳定性,提出了一种考虑故障限流的VSG暂态功角稳定控制方法,该方法在自适应调节有功功率指令以保持功角稳定的基础上联合调节无功调压系数,并引入准静态近似虚拟阻抗,同时实现了故障期间VSG的暂态功角稳定和全故障限流。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性及所提控制方法的有效性。     

电网对称故障下虚拟同步机暂态稳定性分析

当电力系统遭受大干扰时,虚拟同步发电机(VSG)会与传统同步发电机一样发生暂态功角失稳现象,威胁系统稳定性。另外,电力电子器件的饱和非线性等电力电子化特征导致传统电力系统暂态稳定性的分析方法不再适用。通过以单机无穷大母线连接方式下电网发生对称短路故障为例,在借鉴传统交流电力系统分析方法的基础上提出了一种适用于电力电子化电力系统的暂态稳定性分析方法,分析了计及VSG饱和特性的暂态功角稳定性,并在此基础上提出了提高系统暂态稳定性的相应措施。最后,基于Matlab/Simulink仿真验证了结论。     

下垂控制逆变器的虚拟功角稳定机理分析

在大干扰下,电压源型的下垂控制逆变器会出现与传统同步发电机类似的暂态功角失稳,而且逆变器会因电流饱和而退变成一个电流源,进而出现更复杂的同步稳定问题。文中以逆变器单机无穷大系统为例,通过定义逆变器的虚拟功角,分别得出逆变器电流未饱和时的虚拟功角特性和电流饱和下的虚拟功角特性,在此基础上分析了逆变器的虚拟功角同步稳定机理和失稳过程,以及故障切除时间对逆变器虚拟功角暂态稳定性的影响,并将该分析方法扩展到虚拟同步机的暂态稳定分析中。最后,基于MATLAB/Simulink仿真验证了失稳分析方法的合理性。     

基于功角动态补偿的VSG故障穿越方法研究

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)在电网受到大干扰时会出现和传统发电机一样的暂态功角失稳的问题,无法抑制短路过电流,威胁VSG的稳定运行。为此,提出一种在故障期间导入功角动态补偿的VSG故障电流控制策略。首先分析了短路故障工况下VSG控制存在的功角增大和过电流的原因,在借鉴传统同步发电机暂态功角曲线判稳的基础上,利用VSG控制结构和参数灵活可变的优势,在有功环中导入功角动态补偿控制,并且整定了自适应的功角控制系数;另外根据功角重新整定故障期间无功环中的电压指令值,解决了传统电压环采用积分控制时的无功功率越限的问题。所提方法不仅可以抑制故障过程中不平衡转矩造成的功角持续增大以及短路过电流,而且改善了VSG的频率输出特性。从而实现VSG在电网短路故障下的安全稳定运行。     

基于自适应虚拟阻抗的虚拟同步机功率解耦控制策略

伴随着分布式能源渗透率的提高,电力系统中同步发电机的装机比例逐渐减小,电力系统的稳定性日益受到挑战,其稳定性分析方法与提高措施均亟待研究。虚拟同步机(VSG)能够在一定程度上为系统提供惯性和阻尼,被视为提高系统稳定性的重要措施。然而,VSG通常接入中低压配电网,不仅呈阻感特性的线路阻抗会造成功率耦合,而且功角过大也会造成功率解耦控制困难。文中分析了线路阻抗及功角所造成的功率耦合机理,并通过建立VSG并网时功率与频率的响应模型,发现有功功率的大幅度增加或电网频率下降都会造成功角变大、无功功率控制出现显著偏离的情况,为此提出了基于自适应虚拟阻抗的VSG功率解耦控制策略。最后,利用PSCAD/EMTDC搭建VSG并网模型,验证了所提出解耦控制策略的正确性与有效性。     

基于模糊控制的虚拟阻抗VSG功率解耦策略

虚拟同步发电机(VSG)技术模拟了同步发电机的运行机制,使分布式发电能够为电网提供惯性并提高系统稳定性。当VSG接入低压微电网时,由于线路阻抗的阻感比过大的影响,VSG的有功环和无功环之间不能视为近似解耦,VSG输出的有功功率和无功功率之间存在耦合。另外如果VSG的功角太大,也将增加功率的耦合程度,增加解耦的难度。文中分析了VSG功率耦合机理,发现功率耦合会引起VSG输出功率的动态震荡,使无功功率产生稳态误差等问题,在此基础上,提出了一种利用模糊控制对VSG功角进行估算的自适应虚拟阻抗解耦策略。最后,通过MATLAB/Simulink构建VSG并网模型,以验证VSG功率耦合的抑制。     

基于能量函数法的含VSG-ⅡDG电力系统暂态稳定分析

采用虚拟同步发电机(VSG)策略的电压源逆变型分布式电源(ⅡDG)的暂态特性与同步发电机类似,而其电流饱和环节使其暂态特性又有别于同步发电机,使系统暂态稳定分析变得更加复杂。基于能量函数法提出了一种计及VSG-ⅡDG电力系统的暂态能量函数。通过分析暂态过程中逆变器的暂态特性,以此构建其虚拟功角模型,并分析了电流饱和环节对能量函数的影响,基于此,采用输出功率拟合方法构建了计及VSG-ⅡDG的系统暂态能量函数。利用MATLAB/Simulink进行了仿真,验证了该方法的有效性。     

弱电网下基于虚拟同步机的并网逆变器短路电流抑制研究

随着电力系统中新能源发电渗透率的提高,电网逐渐趋于弱电网,导致发电系统中低惯量、弱阻尼现象日益严重。虚拟同步机(VSG)技术可以提高惯量增加阻尼,保证系统在小扰动下的动态稳定性。然而高渗透率的电网系统为非无穷大系统,当网侧发生短路故障时,故障瞬间产生因非周期分量引起的暂态冲击电流,仅依靠传统的VSG控制无法有效地抑制短路电流,难以保证系统在大扰动下的暂态稳定性。针对以上问题,本文基于VSG暂态功角特性,提出了适用于弱电网的单位圆混合相量分析法,并结合提出的动态调节控制策略能够在电网阻抗波动时有效地抑制短路电流的稳态值和暂态冲击峰值,保证了系统的暂态稳定性。仿真和实验结果验证了本文所提控制方法的正确性和可行性。     

基于虚拟同步发电机的频率谐振抑制策略

虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator）技术应用于新能源并网,其惯量和阻尼特性可灵活调节,提高了电力系统可控性、安全性及稳定性。大多数对VSG系统的研究都忽略了电磁磁链的动态过程引发的同步频率谐振现象,该现象在控制参数设计不合理时会导致系统稳定性下降,针对这一问题文中提出了选择VSG最优参数的约束条件。通过分析VSG的同步频率谐振产生机理推导出VSG系统的全频段动态功角,在此基础上推算出维持VSG系统稳定的约束条件,从而引入虚拟惯量与阻尼系数的最佳比值以及虚拟阻抗,消除了同步频率谐振,提高了虚拟同步发电机的稳定性。使用 Matlab/Simulink 软件进行仿真,验证了所提的控制策略具有有效性和可行性。     

含双馈风电场的互联电力系统虚拟惯量与虚拟阻尼协调控制方法

风电场的大规模接入会同时降低互联电力系统的相对惯性和阻尼,虚拟同步发电机(VSG)技术能够有效支撑电网频率,目前对VSG技术虚拟阻尼方面的研究成果较少。为了更有效地利用VSG虚拟阻尼,进一步提升高风电渗透率电力系统的稳定性,推导了VSG控制器参数与虚拟惯量、虚拟阻尼之间的数学关系,针对VSG虚拟惯量与虚拟阻尼调节存在的矛盾,提出一种结合系统主导振荡模式在线辨识和粒子群优化算法的VSG控制器参数协调控制策略。最后通过含双馈风电场的两区域互联电力系统仿真模型验证了所提控制策略的有效性,仿真结果表明所提控制策略可实现系统频率稳定性和功率稳定性的综合优化。     

计及无功电压环节的VSG虚拟转矩及振荡失稳机理分析

通过模拟同步发电机的机电暂态过程,虚拟同步发电机(VSG)技术成为并网逆变器接入电网的一个颇具吸引力的方案。然而,VSG也存在功率振荡现象,相关机理的研究有待开展。文中借鉴传统电力系统中的转矩分析理论,建立了计及无功电压环节的VSG小信号模型,并结合振荡模态,重新定义了虚拟转矩系数。然后,通过分析该系数与稳定性之间的关系,从数学上证明虚拟阻尼转矩不足将导致VSG出现功率振荡失稳。之后,以鲁棒下垂控制的VSG为例,给出了虚拟转矩系数的计算方法,并在PSCAD/EMTDC和VSG实验平台验证了该结论的正确性。最后,从系统初始状态、线路参数及控制器参数等多个角度出发,讨论了VSG无功电压环节对虚拟转矩系数及系统小信号稳定性的影响,可为VSG控制器设计和系统小信号稳定性分析提供依据。     

基于全通滤波器的虚拟同步发电机低电压穿越控制策略

传统的虚拟同步发电机(VSG)不具备低电压穿越能力,在电网电压跌落时难以保持其同步性,造成电流越限及设备脱网,为此提出一种基于全通滤波器(APF)的VSG低电压穿越控制方法。结合APF的工作原理提出在电网电压故障时如何获取准确的频率、相位信息。在此基础上设计了VSG低电压穿越的具体方法,利用阻尼转矩保证转子运动的稳定性,同时增加电网电压偏差反馈防止有功功率指令的突变及释放无功电流,使得VSG在电压跌落时保持了同步性且保证了输出电流的平稳过渡,实现了VSG在不同故障下的低电压穿越。     

基于自适应旋转惯量的虚拟同步发电机控制策略

针对虚拟同步发电机(VSG)中存在暂态过程长、电能质量差的缺点,提出了一种基于自适应旋转惯量的VSG控制策略。首先,介绍了传统VSG控制存在的问题;然后,在传统VSG控制基础上提出了新型的VSG控制策略,并分析了这种新型VSG并网有功和无功的调节方案。所提VSG控制策略能够根据负载扰动引起的频率变化量实时动态调节旋转惯量,避免了频率迅速上升和跌落,从而改善了频率响应特性。最后,MATLAB/Simulink软件仿真和硬件实验的结果验证了所提VSG控制方法的有效性和可行性。相比于传统VSG方法,所提VSG控制方法的稳定性更好、响应速度更快、超调更小、谐波更低。     

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。     

基于自适应惯量阻尼综合控制算法的虚拟同步发电机控制策略

在逆变控制领域,虚拟同步发电机(VSG)控制策略可解决分布式能源并网系统缺少惯性的问题来有效支撑电网频率,然而现有VSG控制手段往往忽略了阻尼的作用。为进一步提升VSG对频率稳定性的贡献,在传统VSG控制策略的基础上,结合力学原理证实了VSG虚拟惯量可进行实时变化的可行性,分析了同步发电机转子惯量和阻尼系数与系统频率稳定性的关系,并设计了一种自适应惯量阻尼综合控制(SA-RIDC)算法,实现了虚拟转动惯量与虚拟阻尼的交错控制。通过MATLAB/Simulink仿真工具,将所提出的SA-RIDC算法与传统固定惯量阻尼控制和自适应惯量控制进行对比,结果表明SA-RIDC算法在改善系统频率稳定性方面有着显著的效果。     

虚拟同步机并联电流控制型变换器系统暂态同步稳定性分析

并网并联供电系统中,电流控制型变换器注入电流对虚拟同步机暂态同步稳定性有不可忽视的影响,甚至可能导致系统出现不可逆失稳问题.研究并联供电系统中变换器间的交互机理是保证系统在暂态过程中安全稳定运行的重要前提.文中建立了电流控制型变换器与虚拟同步机暂态交互模型,发现注入电流对虚拟同步机暂态稳定性的影响主要由功率耦合项决定.在此基础上,利用等面积准则分别分析了在纯感性和阻感性网络条件下不同注入电流相角对虚拟同步机暂态稳定性的影响.研究结果表明,当注入电流相角与并联线路导纳角相加接近-90°时,系统的稳定性将得到增强.基于PSCAD/EMTDC软件的仿真结果和基于RT-LAB的实验结果验证了理论分析的正确性.