直流电压下垂控制的光伏并网发电系统惯量分析

以基于直流电压下垂控制的光伏并网发电系统为研究对象,利用电气转矩分析法,建立系统的静止同步发电机(SSG)模型,分析影响系统的惯量、阻尼以及同步特性的主要参数及其作用规律。研究结果表明利用中时间尺度下电容的储能效应也可以使系统表现出一定的惯量特性。对于控制参数而言,随着下垂系数Dp的减小,系统表现出的惯量特性越强;直流电压外环比例系数Kp越大,系统的阻尼效应越强;直流电压外环积分系数Ki越大,系统的同步能力越强。最后,利用Matlab/Simulink仿真平台验证了理论分析的正确性。     

双馈风电机组虚拟惯量控制对电力系统机电振荡的影响分析

虚拟惯量控制能使双馈风电机组为电网提供类似同步发电机的调频特性而得到广泛关注,但同时这种有功—频率外特性将不可避免地使双馈风电机组参与到同步发电机的机电振荡模式中,导致系统动态变得更为复杂。为了揭示双馈风电机组中虚拟惯量控制对电力系统机电振荡模式的影响规律,文中建立了基于虚拟惯量控制的双馈风电机组并网系统小信号模型,采用模态分析法分析了虚拟惯量控制相关控制回路(即虚拟惯量模拟环、锁相环和有功控制环)对同步发电机间机电振荡模式的影响规律。基于改进四机两区域系统的研究表明,增大下垂系数和适当增大滤波时间常数能改善系统阻尼,锁相环带宽和功率外环带宽过小将使双馈风电机组有功控制延迟,从而无法提供正向的阻尼转矩,导致系统阻尼减小。     

弱电网下基于谐波状态空间模型的光储-虚拟同步发电机稳定性分析与优化控制研究

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)技术因提供阻尼和惯量而被广泛用于新能源并网逆变器。光储并入弱电网易发生频率耦合等问题,因而VSG并网稳定性分析变得更加复杂。针对光储并入弱电网系统,考虑频率耦合,在dq域中建立基于谐波状态空间(harmonic state space, HSS)理论的多时间尺度虚拟同步发电机模型。采用归一化参数灵敏度分析法,揭示功率环、电压环和低通滤波中虚拟惯量J、虚拟阻尼Dp、下垂系数Ku、比例系数kpu和截止频率ωc等关键控制参数根轨迹的特性和电网强度对系统稳定性的影响。并通过调整优化控制参数,提高系统稳定性。最后在Matlab/Simulink仿真平台验证谐波状态空间模型精确度和关键参数根轨迹特性。     

基于功频下垂控制的并网型储能系统惯量与阻尼特性分析

基于功频下垂控制的并网型储能系统可有效解决分布式电源大规模接入导致的电网频率稳定性降低的问题,同时等效提高电力系统的惯量水平与阻尼能力。以基于功频下垂控制的并网型储能系统为研究对象,通过建立其直流电压时间尺度的动态模型,利用静止同步发电机模型分析了影响储能系统惯性水平、阻尼效应和同步能力的主要参数及其影响规律。研究结果表明:下垂控制环节和功率控制环节是储能系统惯性效应与阻尼效应的主要来源,通过下垂系数和功率环PI参数的优化设计即可等效改变系统的惯性/阻尼特性。仿真实验的结果证明了研究结论的正确性,研究结论将有益于设计有效的储能系统控制策略,以辅助提升电网的惯性水平和阻尼能力,增强分布式发电系统及其接入电网的稳定运行能力。     

光伏发电系统抑制电网功率振荡的机理研究

为了探究光伏发电系统(PVS)抑制电网功率振荡的物理机理及控制策略,利用PVS的快速响应特性,首先在机电时间尺度下建立了PVS接入无穷大电网的数学模型.然后,借助电气转矩分析法,对同步发电系统的惯量、同步以及阻尼特性进行了机理探究.研究结果表明:在PVS利用转速作为外环反馈信号的控制策略下,转速控制环的比例、积分、微分(PID)参数分别等效地改变同步机系统的等效阻尼系数、同步系数、惯性系数.最后,通过Matlab仿真验证,所得结果与上述机理研究结果一致.     

光伏电站抑制电网机电振荡的物理机制研究

通过2个受控电流源来描述光伏在机电时间尺度下的有功、无功功率输出特性,并据此建立了光伏参与机电振荡抑制时的电网有功功率分布模型,利用电气转矩法分析了光伏在振荡抑制模式下影响同步机电系统惯量水平、阻尼能力、同步特性的物理机制及其影响规律。研究结果表明:若光伏系统根据系统机电振荡过程中的转速、频率、功率、功角等特征量的变化趋势来动态地调控其输出的有功、无功功率,则电网的阻尼能力、同步特性、惯量水平将被等效地改变。因此,光伏系统可以根据电网运行需求主动地调控系统的振荡幅值、振荡周期以及振幅的衰减速度。仿真结果验证了光伏系统抑制电网机电振荡机理分析的正确性。     

基于广义下垂控制的光伏发电系统的惯量特性分析

以电力电子设备为接口的新能源电力系统缺乏传统物理转子的惯量,大规模并网时系统的弱惯量问题突出。针对此问题,以广义下垂控制的光伏发电系统为研究对象,首先介绍了光伏发电系统的结构和广义下垂控制的数学原理。然后通过建立光伏发电系统的电气转矩模型,揭示了广义下垂控制下并网逆变器的惯量特性,分析研究了系统具有惯量特性的影响因素及参数影响规律。最后,通过仿真分析验证了分析的正确性。研究结果表明:广义下垂控制下光伏逆变器系统具有明显的惯量特性,惯量大小变化受控制器的主导零极点的影响,且等效惯量系数具有频域特性。     

双级式光伏发电主动参与电网频率调节

为解决大规模光伏发电并网带来系统调频能力不足的问题,提出了双级式光伏发电有功功率-频率下垂控制和虚拟惯量控制,通过修改Boost变换器或网侧逆变器原有的控制结构来实现光伏发电主动参与电网频率调节。并分析虚拟惯性时间常数、锁相环控制带宽对虚拟惯量控制的影响。基于光伏发电的有功功率-相位运动模型、同步发电机组的频率响应模型来分析光伏发电的虚拟惯量特性及其对系统频率动态特性的影响。仿真结果表明:Boost变换器和网侧逆变器均可按照设定的下垂曲线来控制光伏阵列增发或减少一定量的有功功率,抑制电网频率跌落或升高;虚拟惯性时间常数越大或锁相环控制带宽越小,光伏发电的虚拟惯量越大,频率动态过程中可提供支撑的功率越多。     

面向机电暂态分析的光伏发电参与电网频率调节控制策略

为解决大规模光伏发电并网带来的系统调频能力不足的问题,提出面向机电暂态分析的单级式光伏发电有功功率-频率下垂控制和虚拟惯量控制,通过修改逆变器的控制结构来实现光伏发电主动参与电网频率调节。基于光伏发电不平衡有功功率激励-相位输出响应关系,分析控制增益系数、时间常数以及锁相环控制带宽对光伏发电的惯量特性的影响。仿真结果表明:逆变器可按照设定的下垂曲线来控制光伏阵列增发或减少一定量的有功功率,抑制电网频率跌落或升高;频率动态过程中,由于并网点电压矢量的动态作用而诱发的光伏发电增发功率取决于其虚拟惯量控制;虚拟惯量控制增益越大、时间常数越小或者锁相环控制带宽越小,光伏发电的虚拟惯量越大,频率动态过程中可提供支撑的功率越多。     

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。     

虚拟同步发电机的并网功率控制及模式平滑切换

现有控制策略难以在电网频率发生波动时实现并网虚拟同步发电机(VSG)的恒功率控制与惯量、阻尼支撑相互协调控制。针对此问题,提出一种VSG的PQ控制模式,使得并网状态下VSG能够实现稳态恒功率运行,同时在动态过程中可以为系统提供惯量支撑。对比分析VSG功率环模型与基于虚拟功率的锁相环模型,提出将功率环模型校正为有零点典型二阶系统,在保持同步机制的同时实现电网频率扰动下VSG的PQ控制模式。通过比例—积分(PI)环节与惯性环节的切换以及参数设计来实现恒定稳态有功功率控制与频率下垂控制之间的平滑切换;从输入和扰动响应这2方面对恒定有功功率控制与频率下垂控制模式进行对比分析。最后,对这2种模式的稳定运行与平滑切换进行了仿真和实验验证。结果表明:PQ控制模式的有功功率控制稳态性能明显优于频率下垂模式,动态性能则弱于频率下垂模式。     

基于转子动能的直驱式风电系统RoCoF下垂控制策略

大规模风电并网会引起系统的等效惯量阻尼下降,降低系统频率的稳定性。微电网系统以电力电子设备为主导,在受到外界扰动时,更易出现电网频率偏差和频率变化率（RoCoF）过大的问题。在分析直驱永磁同步发电机（D-PMSG）并网系统动态响应基础上,将其与低惯量微电网相连接,提出了一种基于有源低通滤波器（LPF）的RoCoF下垂控制策略,该策略在风机侧引入电网的RoCoF,在频率跌落RoCoF突变的瞬间释放转子能量,补偿系统不平衡功率。在Matlab/Simulink中建立仿真模型,验证控制策略的有效性及经济性。 结果表明,增加下垂系数Kd和降低截止频率ωc,可使系统惯量越高,系统对RoCoF的抑制效果越好。     

微网逆变器的VSG转动惯量和阻尼系数自适应控制

近年来随着微网及分布式发电的快速发展,适用于微网并离网运行的虚拟同步发电机(VSG)控制技术被提出。VSG在下垂控制的基础上进一步模拟了同步发电机的转动惯量和阻尼系数。和下垂控制相比,VSG的响应特性得到了进一步的提高,但无法同时保证频率和功率的动态调节性能。针对该问题,对VSG离网工况下的输出频率和并网工况下的输出功率进行了自适应控制。首先,做出不同转动惯量和阻尼系数下的有功环根轨迹,并结合VSG转子机械方程分析转动惯量和阻尼系数对系统的影响,通过建立转动惯量和阻尼系数的自适应函数关系来对VSG实现自适应控制。最后在MATLAB/Simulink中搭建容量为20kVA的VSG自适应控制模型,并搭建了20kVA容量的VSG实验平台,仿真和实验结果验证了所提控制策略的有效性和正确性。     

大规模双馈风电机组并网频率稳定控制策略

风电在电网中的渗透率逐年升高,尽管其在优化电源结构、节能减排方面有颇多贡献,但是由于自然风的波动性和不确定性,大规模风电并网势必会对电网频率稳定等方面产生影响。针对此问题,对装机量较高的双馈型风力发电机组（doubly-fed induction generator,DFIG）控制系统进行研究,制定大规模双馈型风电机组并网下的频率稳定控制策略。在现有附加下垂控制及虚拟惯性控制的基础上,根据输入风速以及电网侧频率波动,对下垂控制环节进行变系数处理,改善下垂控制特性。将DFIG运行工况进行分类,并采用变减载系数,使DFIG在限功率运行的同时减少弃风。采用具有大规模风电并网接入的实际电网模型,仿真验证了所提频率稳定控制策略的有效性。     

风电并网一次调频控制性能研究

为了使采用双馈式异步电机的风力发电并网系统具备参与电网一次调频的能力,需要对并网系统开展一次调频性能研究,采用下垂控制方案,解耦有功功率和无功功率,通过控制有功功率输出来动态响应频率波动。针对传统下垂控制在响应电网频率调节过程中,输出功率与参考功率偏差较大引起的控制系统过度调整问题,引入动态下垂系数作为原下垂控制系数负反馈相,使频率与下垂控制系数的乘积在可控范围内变换,实现下垂系数根据目标频率实时调节;针对风机并网系统一次调频过程中的功率震荡问题,建立风电并网虚拟同步机数学模型,采用自适应虚拟参数,并分析参数取值范围。通过Matlab/Simulink仿真和实验验证所提方案可以使风电并网系统一次调频控制性能更优。     

二级式光伏并网发电系统的协调控制及惯量特性分析

针对二级式光伏发电系统低惯量的问题,根据光伏-Boost和逆变器两侧分别响应频率波动的特点,提出了一种适用于二级式光伏发电系统的惯量协调控制策略,通过建立系统的静止同步发电机SSG模型分析不同参数对系统惯量的影响。光伏侧采用下垂控制响应电网频率波动时,频率下跌的最低点或上升的最高点得到改善,且电网频率的稳态偏差变小;逆变器侧采用直流电压下垂响应电网频率波动时,电网频率变化率变小;协调控制时,合理利用了光伏侧及逆变器侧响应的优势,抑制频率波动的效果最佳。仿真结果证明了所提控制策略的有效性。