基于自适应参数虚拟同步机的微电网稳定控制

随着分布式发电技术与微电网技术的快速发展,现代电力系统尤其是微网中的电力电子化程度越来越高。微电网中电力电子变流器因缺乏必要的惯性和阻尼成分,从而影响到系统稳定。针对此问题,文章通过模拟传统同步机转子方程,基于下垂控制添加虚拟惯性和阻尼,搭建了用于逆变器控制的虚拟同步机控制模型;研究了惯性和阻尼参数对虚拟同步稳定控制效果的影响,进而通过设计合理的触发机制提出了自适应参数虚拟同步控制策略,可根据控制需求灵活切换自适应参数调整模式。最后的仿真验证和对比分析表明,所提策略一定程度上有利于增强系统的频率和功率稳定。     

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。     

基于虚拟调速器的虚拟同步机功频控制策略研究

为应对新能源高渗透率给电力系统带来的影响,利用虚拟同步机(VSG)技术可为系统提供惯性和动态频率支撑,提出一种基于虚拟调速器的VSG控制技术。首先研究了一种能提供虚拟惯量的虚拟调速器作为外环控制器,为系统提供暂态频率支撑,然后设计了一种两相静止坐标系的锁相环(PLL),以减小相位偏移,满足虚拟同步机的控制需要。最后利用实时数字仿真器(RTDS)进行仿真,结果表明该VSG能提供传统同步的惯量,有效抑制系统频率变化,阻尼区域间振荡。     

虚拟调速器对VSG暂态功角稳定影响机理分析

作为重要的一次调频环节,虚拟调速器(VG)对于大扰动下虚拟同步发电机(VSG)保持暂态功角稳定非常重要。以低通滤波(LPF)和高通滤波(HPF)型VG为研究对象,分别构建相应的VSG暂态大信号模型,采用扩展等面积定则分析考虑不同调速器时的VSG暂态功角稳定机理,并利用相图法量化研究VG控制参数对VSG暂态功角稳定的影响。研究发现,VG截止频率的减小会提高系统暂态功角稳定,LPF型VG增益的增加会增强系统暂态功角稳定,而HPF型VG增益的增加会造成系统暂态功角稳定先增强后减弱,且当VG的增益和截止频率相同时,LPF型VG比HPF型VG具有更大的系统暂态功角稳定裕度。仿真结果验证了理论分析的正确性。     

非同步机电源渗透率对同步机之间功角稳定性影响的简化模型分析

研究了非同步机电源接入电网对电网中原有同步机之间功角稳定性的影响。基于经典的单机-无穷大系统模型,设计了一个考虑输电通道中接入非同步机电源的简单测试系统,提出了研究非同步机电源渗透率对同步机之间功角稳定性影响的衡量基准。建立了简单测试系统的数学模型,采用同步功率系数作为衡量小扰动功角稳定性的指标;基于等面积法则分析测试系统的大扰动稳定性,并采用故障临界清除时间作为衡量大扰动功角稳定性的指标。研究结果表明,在设计的测试系统和所提衡量基准下,非同步机电源接入对原系统中同步机之间功角稳定性有改善作用。     

虚拟同步机运行区域计算与参数分析

针对电压型虚拟同步机参数的设计提出了一套完整的方案。根据虚拟同步机已有的数学模型,对于有功环从稳定性、稳定裕度以及超调量等方面对参数选择范围进行约束;对于无功环,从稳定性、一阶低通滤波器的截止频率角度限定了参数选择范围。结合了相应的电网标准,进一步缩小参数的选择范围,最终得到综合考虑有功环、无功环稳态性能与动态性能的参数选择范围。利用伯德图、零极点分布图等工具分析了各参数变化时对于有功环、无功环的稳态、动态性能的影响。经PSCAD/EMTDC环境下的仿真证明了所提方法的可行性。所提方法可供采用虚拟同步机算法的控制器参数设计使用,所得结论可用于实际工程、实验中,根据性能表现进行参数调整。     

使用虚拟阻抗的虚拟同步机转子角下垂控制

在与虚拟同步发电机技术相结合后,转子角下垂控制可用于逆变器中,成为虚拟转子角度下垂控制(VRAD),这种技术可应用于独立运行的微电网。不过现有的VRAD实现需要在逆变器内使用大的实际电抗来保证有功-角度间的相关性,但这种做法会降低电压利用率。本文则通过控制逻辑模拟了一个虚拟电抗来代替实际电抗,从而避免电压源逆变器电压利用率过低。本文同时分析了新控制模式下负载变化在多逆变器中分配与逆变器的额定容量成比例的原因,并比较了不同下垂参数的负载均分效果,给出了相应的仿真结果。     

风电场虚拟惯性对互联系统功角暂态稳定影响分析

附加虚拟惯性的风电机组并网后,整个系统的暂态稳定水平因惯性时间常数可控而发生改变。通过对双馈风机并入后的等值两区域系统模型进行数学推导,针对不同运行方式下,分析变速风电机组的虚拟惯性时间常数对互联系统功角暂态稳定水平的影响,分别阐述在功角不同摆动方向下,两端风电机组虚拟惯量与等值两区域系统功角暂态稳定的影响关系。最后,对高风电渗透率的等值两区域互联系统进行仿真分析。为大规模风电场接入后电力系统暂态稳定控制提供方向。     

多虚拟同步机并网系统功频振荡模态分析

基于系统传递函数的多虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)功频振荡分析方法确定振荡频率需要建立复杂的高阶传递函数,计算量大,且不能提供系统各元件对功率振荡的参与程度等信息。该文提出一种通过建立多VSG并网系统回路阻抗矩阵获取系统振荡频率及振荡影响范围的模态评估方法。首先,运用类比法构建VSG功频控制环路多机并网系统的机械导纳模型;其次,借鉴电力系统中串、并联谐振特点的不同,为验证模态分析法的适用性,分别列写系统的节点导纳矩阵和回路阻抗矩阵进行模态分析,并进一步采用灵敏度分析法确定振荡时系统各VSG的参与度;再通过与频域分析法作对比研究当VSG数量、电网等效阻抗、虚拟惯量和线路阻抗变化时,系统关键振荡模态的变化规律,可为解决当前高渗透率新能源并网工程应用中出现的功频振荡问题提供参考。最后,通过搭建多VSG并网系统的仿真模型验证上述方法的正确性和有效性。     

电压稳定和功角稳定关系的平衡点分析

分析了一个典型系统的平衡点与负荷功率、发电机功率的关系，表明静态电压稳定和功角稳定本质上都可视为一种不稳定平衡点的模式，揭示了系统失稳模式随潮流改变而转变的现象，还指出了P—V曲线的下半分支和其他分支蕴含了丰富的系统分岔信息，可从中了解系统不稳定平衡点的产生和消失情况。对不同负荷模型的分析结果则说明了不同负荷模型会导致不同的失稳模式。所得结论具有普遍性，对深入研究复杂系统下电压稳定和功角稳定关系有一定的价值。     

基于虚拟阻抗优化的VSG暂态功角稳定自适应控制策略

在电网短路故障发生的情况下,虚拟同步发电机系统不仅会发生暂态功角失稳,同时还可能会出现过流。为了提升虚拟同步发电机的暂态功角稳定性及故障电流限制性能,首先建立了包含电压和电流控制环、虚拟阻抗及功率控制环结构的虚拟同步发电机系统的总体控制结构,给出了虚拟阻抗功率模型建立的理论依据。对无功功率控制环路恶化暂态功角稳定性,提出了设置电压增量自由控制支路来实现提高暂态功角稳定性的方法。其次,在无功功率控制环路及电压增量自由控制支路的共同作用下,对“不考虑切除故障”和“考虑切除故障”两种不同的运行工况,提出了能够同时满足暂态功角稳定性和故障电流限制的虚拟阻抗优化方法。最后提出了虚拟同步发电机的暂态功角失稳控制和故障电流限制的自适应控制算法,以满足实际运行工况的需求,通过Simulink仿真模型验证了所提自适应控制策略的有效性和可行性。     

基于虚拟同步机的微电网频率稳定控制研究

大量电力电子设备接入下的微电网,由于缺少必要的惯性储备,将加剧系统因故障扰动、孤网运行等带来的频率不稳定问题。为解决该问题,可模拟传统同步机的运行特性,在逆变器控制中加入惯性和阻尼环节。根据上述思想,本文基于传统同步机摇摆方程,建立了虚拟同步机控制模型,分析了该控制策略下系统的动态特性,重点研究了不同阻尼系数下的虚拟同步控制器对系统频率稳定性的影响,并根据控制需求,提出了变阻尼系数控制的方法。通过Simulink仿真和硬件在环实验,验证了所提方法的正确性和可行性;最后,对比了传统PQ控制及下垂控制下系统的频率稳定性,显示了该控制方法的优越性。     

基于虚拟同步机的微电网频率稳定控制研究

大量电力电子设备接入下的微电网,由于缺少必要的惯性储备,将加剧系统因故障扰动、孤网运行等带来的频率不稳定问题。为解决该问题,可模拟传统同步机的运行特性,在逆变器控制中加入惯性和阻尼环节。根据上述思想,本文基于传统同步机摇摆方程,建立了虚拟同步机控制模型,分析了该控制策略下系统的动态特性,重点研究了不同阻尼系数下的虚拟同步控制器对系统频率稳定性的影响,并根据控制需求,提出了变阻尼系数控制的方法。通过Simulink仿真和硬件在环实验,验证了所提方法的正确性和可行性;最后,对比了传统PQ控制及下垂控制下系统的频率稳定性,显示了该控制方法的优越性。     

连接无源网络的VSC-HVDC优化虚拟同步机控制及参数分析

在向无源网络供电的电压源型高压直流输电技术(voltage source converter based HVDC,VSC-HVDC)系统中,传统双闭环控制无法提供系统惯性和阻尼系数,而传统虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制虽然能实现一次调频,为系统提供频率支撑,但属于有差调节。为弥补上述两者的不足,提出一种优化频率同步控制策略(improved frequency synchronous controller,IFSC),该方法简化了传统VSG的功频控制器,无需检测有功类物理量即可实现无差调频,同时保留了VSG技术中的虚拟惯量和阻尼系数等两个重要参数,继承了虚拟同步机的优良特性。基于Matlab/Simulink平台分别针对正常工况及负荷功率突变工况进行数字仿真。结果表明,在启动过程中,IFSC对功率及频率具有阻尼作用,减小了功率及频率的超调量,快速达到稳定值;在负荷功率变化时,功率和频率动态过程中具有了惯性。同时,IFSC具有二次调频能力,实现了频率的无差调节。     

双馈风机与同步机小扰动功角互作用机理分析

研究风机与同步机动态间的交互作用机理对于揭示风电并网对电力系统小扰动功角稳定特性的影响,指导含大规模风电的电力系统稳定控制具有重要的理论价值和现实意义。该文针对单双馈风机单同步机无穷大系统,从动态响应互作用的角度分析双馈风机与同步机的交互作用机理。首先建立了同步机功角与双馈风机锁相环输出动态的小扰动分析模型。其次,基于小扰动分析模型解的特性,分析了不同锁相环输出动态对同步机功角动态响应的影响,以及同步机功角振荡对双馈风机锁相环输出动态的影响,揭示了双馈风机锁相环动态与同步机功角动态间的交互作用机理。研究结果表明,双馈风机锁相环和同步机动态间的交互影响与锁相环模态和同步机功角模态有关,当两模态振荡频率接近时,两模态阻尼特性将发生变化。最后,通过仿真与模态分析验证了该机理研究的正确性。     

基于虚拟同步机的变流器暂态稳定分析及混合同步控制策略

针对采用组网型控制策略(以虚拟同步机控制为例)且考虑电流限幅的电压源型变流器(VSC)暂态稳定性差且失稳机理不明的问题,首先从传统同步机的暂态稳定分析方法入手,定性地分析了组网型VSC的暂态过程.然后,通过基于相图的非线性微分方程的分析方法,定量研究了组网型VSC的暂态失稳机理,并提出了一种结合了传统同步机摇摆方程和锁相环的新型同步方法(称为混合同步控制),使得VSC不仅具备频率响应的能力,而且其暂态稳定裕度得到了大幅提高.最后,通过MATLAB/Simulink搭建的仿真模型验证了分析方法的准确性和所提控制方案的有效性.     

静态功角稳定和静态电压稳定判据比较分析

指出用传统的静态功角稳定的静态稳定储备系数评估系统静态功角稳定性的不足在于其过于乐观,并容易造成认识上的误区;静态功角稳定和电压稳定的极限均是求取系统潮流的极限值,但静态功角稳定的推导是建立在单机无穷大系统基础上,静态电压稳定的推导则是建立在电源电压恒定的基础上。从电能物理传输原理上对静态功角稳定判据和静态电压稳定判据进行了推导,从而纠正了由于2个不同假设条件推导出的静态电压稳定和静态功角稳定判据的不足,得出了统一的结论。指出通常当线路两端相位差在45°以内时失稳是静态电压稳定失稳,而超过45°是静态功角稳定失稳;传输感性无功功率影响系统的静态功角稳定,将造成系统静态功角稳定的下降和传输功率的下降,而传输容性无功功率正好相反。     

基于功角曲线拟合的快速暂态稳定预估分析

提出了一种基于可编程逻辑门阵列（FPGA）的适用于电力系统的三相锁相环（PLL）的优化设计与实现方案。首先介绍了包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器等在内的锁相环基本结构和工作原理,然后利用模块化的设计方法利用VHDL语言设计了这些模块。为了尽量节省逻辑资源,在利用FPGA实现该锁相环的过程中,采用了面积共享的优化设计方案;同时提出了一种新的正弦函数产生方法,该方法将CORDIC算法和查表法相结合,这样既保证了数值的精度,又提高了运算速度。该锁相环在Altera公司Cyclone EP1C12Q240C8芯     

基于功角曲线拟合的快速暂态稳定预估分析

根据单机等面积稳定判据原理,把发电机功角曲线展开成自变量为功角的高阶泰勒级数,采用时域仿真的办法对受扰系统进行短时间的仿真,根据仿真结果对机组电磁功率与转子相对角曲线进行拟合.用得到的功角曲线预测机组的最大减速面积之差,从而可以计算出系统的稳定裕度与不稳定裕度.采用的单机等面积技术既具有时域仿真方法的精确性与良好的适应性,又能适用于大规模电力系统,可得出基于加速面积与减速面积的能量型稳定裕度.与其它能量函数法相比,该方法不必进行失稳模式的判别.实例计算表明所提出方法能充分满足工程应用中的可靠性、有效性和计算效率,具有广泛的工程应用前景.     

用于功角稳定控制的发电机动态模型分析

目前,功角稳定控制一般还是基于系统固定参考系。系统因大扰动而变化时,选定参考点的参考量一般会发生变化。分析发现,基于该坐标系的发电机动态模型存在一些缺陷：实际控制难以实现;参考电压矢量的变化使发电机功角和转子角不等;单机无穷大模型不适用于有当地或中间负荷的情况;多机系统模型因网络和负荷化简而产生失真,并且会使分散解耦控制难以实现。为适应实际分散控制的要求,研究建立了单机二系坐标的发电机动态模型,考虑功角与转子角的不等关系,并提出基于该模型的功角稳定裕度变化的判断方法。该模型适用于参考量变化的情况,物理概念明确,保留功角作为稳定判据的特性,能方便地适用于现实的功角稳定控制。