计及储能动态的VSG惯量阻尼自适应控制研究

随着风力发电、光伏发电等新能源发电渗透率增加,电力系统的等效惯量和等效阻尼逐渐减小,其稳定性问题变得越来越严峻。虚拟同步发电机（virtual synchronous generator, VSG）技术的提出能有效地解决这一问题。然而,传统的VSG并网逆变器采用恒惯量和阻尼控制,在系统受到扰动时,其鲁棒性较差。因此,为增强系统的鲁棒性,优化其频率响应曲线,本文提出了一种计及储能装置动态特性的并网VSG惯量阻尼自适应控制策略。首先,阐述了VSG的基本工作原理,然后通过建立其数学模型分析不同旋转惯量和阻尼系数对系统输出特性的影响。在此基础上,结合同步发电机（synchronous generator, SG）功角特性曲线和频率振荡曲线设计出旋转惯量和阻尼系数的自适应控制策略,该控制策略通过引入惯性环节以较好地匹配储能装置的动态特性。最后,通过MATLAB/Simulink仿真软件对比分析了所提控制策略和传统的VSG恒惯量和阻尼控制,结果验证了所提控制策略的正确性。     

基于VSG技术的风——光—储系统自适应调频控制策略研究

“双碳”目标的实施和新型电力系统的建设极大推动了可再生能源并网发电进程,电力系统的结构也因此发生巨大改变。由于可再生电源无法参与电网的惯性和阻尼调节过程,并网后极易造成电网频率失调、负载功率失稳现象。因此,文中提出一种基于虚拟同步机（virtual synchronous generator,VSG）技术的风—光—储系统自适应调频控制策略。首先,在风—光—储VSG系统结构基础上建立数学模型,并分析VSG技术调频特性;然后,综合考虑风电、光伏发电曲线,依托储能系统数学模型提出基于模糊控制的虚拟阻尼和虚拟惯量的自适应调频控制策略;最终,基于风—光—储微电网模型开展仿真验证,分析可知,采用文中控制策略可在大幅降低风、光电源侧及负荷侧波动所引起的频率波动过程基础上缩短响应时间,并提高电网输出功率稳定性。     

一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制策略

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制策略可解决分布式能源并网系统缺少惯性的问题,以有效支撑系统频率。VSG控制的惯量设定与储能单元的配置密切相关,首先建立基于储能荷电状态(state of charge,SOC)约束的VSG控制模型,给出计及储能容量和SOC约束的惯量范围,然后充分利用VSG惯量和阻尼系数灵活可调的优势,结合模糊理论提出一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制策略,将惯量的范围作为模糊自适应环节的输出论域,使惯量和阻尼参数在合理范围内根据要求实时地进行调整来应对功率变化、负荷扰动以及频率偏移。最后通过Matlab/Simulink仿真对比不同VSG策略的控制效果,验证了所提策略的可行性和有效性。     

基于VSG的光伏及混合储能系统功率分配与虚拟惯性控制

在基于虚拟同步发电机(VSG)控制的光伏及混合储能系统中,不同类型的储能之间存在协调配合问题,其荷电状态(SOC)也与VSG的控制策略密切相关。针对该问题,提出了一种基于VSG的光伏及混合储能系统的协调控制策略。在逆变器直流侧引入混合储能系统,并基于VSG控制原理对其进行功率分配。根据储能SOC与VSG虚拟惯性之间的定量关系,设计了一种改进的虚拟惯性自适应控制策略,并给出相关参数的选取原则,在改善系统输出频率和功率动态响应的同时,对储能SOC进行控制。基于MATLAB/Simulink进行仿真,结果表明所提控制策略可以有效改善系统电压和频率的稳定性,实现混合储能之间功率的合理分配,提高储能的充放电性能并延长其寿命。     

基于纵横交叉算法的储能系统自适应控制策略

大量储能设备通过虚拟同步机（VSG）并入电网时,传统固定惯量和阻尼控制策略中,控制参数选取不当会造成调节时间长或超调量大,且无法充分发挥VSG控制灵活的优势。为此,提出了基于纵横交叉（CSO）算法的储能系统自适应控制策略,首先,建立了储能系统VSG系统,将储能VSG系统频率的误差与电压总谐波畸变率之和的最小值作为CSO的目标函数,并引入电池的荷电状态（SOE）约束求解最佳惯量以及阻尼,该算法收敛速度更快且有效地规避了参数局部解。在此基础上,设计一种改进的惯量阻尼自适应控制策略,有效地改善了VSG的动态性能。最后,通过Matlab/Simulink搭建仿真模型,验证了所提策略的有效性。     

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。     

考虑系统频率安全稳定约束的风储联合频率响应控制策略

为提升风-储联合运行系统的动态频率稳定性能,针对目前调频控制策略未充分发挥风电机组频率调节能力、无法适应负荷扰动过大情况以及转子转速恢复阶段存在频率二次跌落的问题,提出一种考虑系统频率安全稳定约束的风储联合频率响应控制策略。在惯量响应阶段结合转速约束和频率指标自适应调整虚拟惯量和下垂控制系数,在转子转速恢复阶段利用负指数函数动态调整转速恢复过程中功率参考值,避免频率的二次跌落。将风电机组与储能电池结合,引入频率稳定域概念,利用储能电池扩展频率稳定域边界,进一步提升风储联合系统的抗负荷扰动能力和频率稳定性。最后对风储联合调频策略进行仿真,结果表明在不同风速和不同负荷扰动下,所提控制策略能充分发挥风电机组频率响应控制能力的同时,避免了频率二次跌落,提升了电网频率安全稳定性。     

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。     

基于有功分数阶微分校正的储能VSG并网有功响应策略

为了解决在有功功率指令、电网频率2种扰动情况下储能虚拟同步机(VSG)并网有功难以兼顾良好的动态特性和稳态性能的问题,提出了一种基于有功分数阶微分校正的VSG(AFDC-VSG)并网有功响应优化控制策略。分别建立典型VSG、AFDC-VSG这2种控制策略的并网有功闭环小信号模型,并给出相应的参数设计过程。利用MATLAB/Simulink仿真软件对比分析不同控制策略在2种扰动下储能VSG的并网有功响应特性,并建立储能VSG并网系统的实验平台。仿真和实验结果共同验证了所提AFDC-VSG策略在优化储能VSG并网有功响应性能方面的有效性与优越性。     

基于最优阻尼比虚拟同步发电机的优化控制策略

针对微电网中可再生能源渗透率越来越高,微电网惯性和阻尼不足等问题越来越突出,随即一种新的控制方式即虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)技术被提出。区别于传统同步电机,虚拟同步发电机可以实时的控制电机参数获得系统稳定。文章从传统同步发电机有功控制环出发,结合功角特性曲线和频率振荡曲线分析惯性参数和阻尼系数对系统稳定性的影响。在现有控制方式的基础上提出一种基于最优阻尼比的惯性参数和阻尼系数共同自适应的控制策略。最后在Matlab/Simlink中通过离网和并网仿真分析验证所提策略的正确性和有效性,结果证明能够有效抑制系统的系统波动并具有很好的动态性能。     

Flexible Virtual Synchronous Generator Control for Distributed Generator with Adaptive Inertia

Distributed generators using power electronic converter interface have no inherent inertial response similar to that from the rotating mass of conventional synchronous generators. Virtual synchronous generator (VSG) emulates the behavior of the synchronous generator including system inertia to improve system dynamic performance. Unlike a real synchronous generator, using VSG with proper design, the equivalent inertia of the distributed generator can be controlled in a wider range. In this paper, a flexible virtual synchronous generator (FVSG) control strategy is proposed, with adaptive inertia contributing to a fast and smooth inertial response. The frequency change rate is designed as an adaptive inertia coefficient to flexibly accommodate system inertia with frequency fluctuation rate. Compared with the conventional VSG control, based on fixed inertia coefficient, both inertia support and oscillation suppression are achieved in the proposed control scheme. Moreover, the principles of control parameters design are analyzed in details. Thus, the dynamic response of the system frequency can be substantially improved by the FVSG. Both Matlab/Simulink simulations and prototype tests are implemented to validate the proposed FVSG control strategy on improving system dynamic frequency performance.     

逆变器的虚拟同步发电机控制技术建模与仿真

越来越多的可再生能源,通过逆变器并联接入电网运行,带来了逆变器并网控制研究这一新课题。常用的分布式能源控制策略为下垂控制,当逆变器电源采用下垂控制策略时,可以通过下垂特性来分配各自承担负荷的大小,但是却很难在扰动情况下,为系统提供惯性与阻尼支撑,电力系统易失去稳定。针对此问题,提出了一种虚拟同步发电机(VSG)技术。通过研究分析同步发电机的数学模型和外特性,从而建立虚拟同步发电机的数学模型,来模拟同步发电机的转子惯性,并通过仿真验证其正确性以及虚拟同发电机技术能实现微电网并网与孤岛模式的自由切换。     

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。     

虚拟同步发电机的转子惯量自适应控制方法

近年来,微电网作为一种可再生能源接入电网的有效载体,已受到越来越多的关注。微电网中的分布式电源大多需要通过逆变器实现并网和输出电能,然而传统的逆变器控制算法只考虑快速响应,并没有类似同步发电机的惯性特征,因而对电网冲击较大。针对该问题,在总结了虚拟同步发电机(VSG)支撑微电网稳定运行控制策略的基础上,结合同步发电机的功角曲线和转子惯量的物理意义,提出了一种自适应虚拟转子惯量的VSG控制算法,并通过对分布式电源小信号模型的分析,确定了自适应惯量系数的选取原则。最后,利用PSCAD/EMTDC仿真工具,分别在并网和离网运行模式下验证了所提算法的有效性。     

并网模式下虚拟同步发电机的虚拟惯量控制策略

并网模式下,当电网频率出现偏差或者调度指令变化时,虚拟同步发电机（virtual synchronous generator,VSG）输出有功功率都会发生波动,然而现有的VSG分析以及控制方式只能应对调度指令变化下的有功功率波动:电网频率发生偏差时,现有的控制策略可能会使VSG输出有功功率出现较大波动。针对上述问题,首先分析了电网频率偏差下,VSG参数对VSG动态特性的影响以及调度指令变化下,功角振荡和虚拟惯量之间的关系。在此基础上,提出一种虚拟惯量控制策略:在调度指令变化时,采用虚拟惯量自适应控制,并给出参数选取原则;在电网频率发生偏差时,采用基于信息熵的虚拟惯量寻优值。最后通过Matlab/Simulink仿真,验证了所提虚拟惯量控制策略在有功调度和电网频率偏差下的优越动态特性。     

提高光储柴独立微网频率稳定性的虚拟同步发电机控制策略

针对由间歇性可再生能源、柴油发电机组(DGS)和蓄电池储能系统构成的独立微网,提出一种提高系统频率稳定性的虚拟同步发电机(VSG)控制策略。首先,建立DGS在同步旋转坐标系下的数学模型并分析其输出电压与频率的阶跃特性;其次,在理论分析VSG控制与微网频率稳定性关系的基础上,将同步发电机的转子运动方程、一次调频特性及无功调压特性引入储能变换器(ESC)的控制中,使ESC具有虚拟惯性与阻尼;然后,利用MATLAB/Simulink仿真软件对比针对ESC采用传统电流控制、下垂控制及VSG控制时负载阶跃条件下的系统频率响应特性;最后,建立一套包含2台VSG及1台DGS并联的独立微网实验平台,实验结果验证了所述控制策略的正确性与有效性。     

基于RBF的VSG虚拟惯量和动态阻尼补偿自适应控制

虚拟同步机(virtual synchronous generator,VSG)技术可以使并网逆变器具有与同步发电机类似的外特性。VSG系统暂态稳定性的主要影响因素是虚拟惯量和阻尼系数,但现有的控制策略在参数调节过程中存在灵活性不足的缺点,不能有效解决系统暂态稳定性和暂态恢复时间的问题。针对这一问题,提出动态调节阻尼补偿量的概念。将阻尼系数和阻尼补偿量共同作为系统的等效阻尼系数,设计了基于径向基函数(radial basis function, RBF)的VSG虚拟惯量和动态阻尼补偿自适应控制策略,实现了参数之间的解耦,使系统的阻尼随着系统频率的变化进行动态调整。通过建立VSG数学模型,确定了参数的具体取值范围。最后,在仿真平台上搭建VSG系统,分别在出力波动和低压穿越两种工况下验证了所提控制策略相较于传统RBF控制策略的优越性。     

面向多运行模式的并网逆变器改进控制策略

为了改善新能源并网逆变器的性能并同时满足多运行模式(并网模式和孤岛模式)调节需求,设计了双重自适应系数,并基于下垂控制和虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)控制提出了新颖的改进控制策略。该控制策略可灵活地调节惯量和阻尼以满足不同运行模式的需求。设计的双重自适应系数包括自适应协调系数和自适应惯量系数,前者可提高系统动态特性并增强适用性,后者可进一步改善功率超调和振荡问题以完全消除功率超调。所提出的改进控制策略的功率响应无超调和振荡,能够提供接近于VSG控制的惯量和阻尼特性且具有更快的响应速度,可同时满足并网模式下的功率调节需求和孤岛模式下的频率调节需求,具有更大的适用性和更优异的动态特性。最后,通过硬件在环实验验证了所提出的改进控制策略的有效性和可行性。