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。     

基于动态虚拟电抗的虚拟同步机系统有功环电压动态补偿策略

为解决新型电力系统中的虚拟同步机（Virtualsynchronousgenerator,VSG）在电网电压跌落时出现的功角暂态失稳和过电流问题,对采用VSG控制的并网换流器暂态控制策略进行了改进。为降低故障期间有功功率的参考值进而实现VSG的功角暂态稳定控制,根据VSG的功角特性、有功功率参考值与功角稳定性之间的关系,引入电压动态补偿,并利用相图曲线理论分析了控制策略参数选取对暂态稳定的影响。为限制故障发生瞬间和故障切除瞬间的冲击电流、保证故障期间VSG系统的暂态功角稳定、实现故障限流,提出了一种以指数形式变化的虚拟电抗模型,确定了虚拟电抗的投切参数。仿真实验结果验证了改进策略的有效性。     

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。     

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。     

虚拟同步发电机暂态稳定性分析与控制策略

虚拟同步发电机(VSG)通过模拟同步发电机的运行特性,主动参与并网点电压支撑和电网频率调节,可有效提高电力电子化电力系统的稳定性。当电网故障时,VSG存在与同步发电机类似的功角失稳问题,此时传统的小信号稳定性分析理论已不再适用。针对这一问题,首先建立VSG的数学模型,采用相平面法解析VSG的暂态功角轨迹,研究电压跌落深度、控制参数和有功出力水平对VSG暂态稳定性的影响,考虑阻尼情况下,根据扩展等面积法分析了VSG的暂态稳定边界条件;然后,提出一种电网故障期间自适应调节有功功率参考值的暂态控制策略,降低有功功率不平衡,在电网严重故障期间确保稳态工作点的存在,提高系统的暂态稳定裕度;最后,通过基于RT-LAB的半实物仿真平台验证理论分析的正确性和控制策略的有效性。     

对称电压暂降情况下含无功补偿功能的虚拟同步发电机控制策略

虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制思想是通过模拟传统的同步发电机的输出特性来提升分布式电源(Distributed Generation,DG)对电网的友好性。但是,传统的VSG不具备在电网故障情况下抑制故障电流的能力,同时也无法提供无功支撑。文中针对该问题,建立VSG模型,分析电网电压对称暂降过程中的VSG的行为。提出了一种适用于电压暂降故障的含有无功补偿功能的VSG控制策略,能够保证故障期间VSG输出不过流,故障瞬间和故障清除瞬间无暂态电流冲击并输出最大无功功率。并给出了限流控制方法的原理分析和具体参数整定原则。最后通过仿真验证了所提的控制策略的正确性和可行性。     

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。     

基于电网电压前馈的VSG平衡电流控制策略

在电网电压不平衡条件下基于虚拟同步发电机(VSG)控制策略的逆变器输出三相电流不平衡并且电流幅值过大。针对此问题,提出一种基于电网电压前馈的VSG平衡电流控制策略。利用VSG电流内环的控制框图推导出前馈控制器的传递函数,再将电网电压经前馈控制器前馈至电流内环,减轻故障电压对电流波形的干扰,降低电流畸变率。将瞬时有功、无功功率的平均值反馈到VSG算法得到抑制负序电流的电压参考指令,在电网电压故障期间使并网电流依然保持三相平衡而且幅值稳定。最后通过MATLAB/Simulink仿真证明了所提控制策略的有效性。     

基于功率指令切换的双级式构网型光伏故障穿越控制策略

在新型电力系统构建中,构网型光伏将发挥巨大作用。但受限于电力电子器件过流能力,目前针对构网型光伏的故障穿越控制策略还需进一步完善。综合考虑逆变器稳态和暂态过流抑制,提出了一种基于功率指令切换和虚拟阻抗的双级式构网型光伏发电故障穿越控制策略,该策略计及光伏直流侧动态响应,能够实现满足电流限幅约束的前提下向并网电压提供无功支撑,同时保持故障期间构网型光伏对系统惯性的支撑特性,提升大扰动下光伏换流器暂态功角稳定性。仿真结果表明,在电网发生严重电压跌落的情况下,所提控制策略可在保持逆变器直流侧电压稳定的同时实现故障穿越功能。     

提高储能换流器电压及功角暂态特性研究

为提高储能换流器电压及功角暂态特性,对有功电流-频率、无功电流-电压下垂控制进行改进,提出一种根据输出电压有效值变化率表征下垂系数,根据电压调节量自适应调节下垂系数的无功电流下垂控制策略。引入滞环控制在储能换流器电流自适应有功电流-频率下垂控制中,通过滞环控制器将功角维持在一定范围内,确保当电网电压跌落故障时,储能系统功角稳定。Matlab/Simulink仿真和RTDS实验结果表明：所提新型控制方案可以提高储能对系统惯性无功支撑能力,提高储能控制系统对电压暂态波动的抑制能力,有效提升了储能换流器输出电压及功角暂态性能。     

虚拟阻抗制动可再生能源机组低电压穿越控制

电网电压跌落容易使可再生能源机组并网逆变器产生功角失稳与过电流现象,对系统安全稳定运行产生不利影响。对传统虚拟同步发电机(virtual synchronous generators, VSG)控制策略进行改进,提出了一种虚拟阻抗制动可再生能源机组低电压穿越控制策略。首先,利用等面积定则分析了电网电压跌落和恢复后VSG功角变化机理。其次,详细阐述了虚拟阻抗的无功干预机制与限流原理。然后,提出在电网电压跌落期间对传统VSG功率控制环节实施悬停控制以利于实现功角稳定,并对电压跌落与恢复的不同阶段限制过流所需虚拟阻抗值提出了明确计算方法。最后,利用RT-LAB实时仿真实验平台搭建了10 kW可再生能源并网机组,对不同电压跌落程度下的低电压穿越控制效果进行分析,验证了所提控制策略的可行性与有效性。     

电网对称故障下虚拟同步发电机建模与改进控制

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)是近些年新发展的电力电子装备,可为电网提供惯性和动态频率支撑。直接电压式虚拟同步发电机直接通过脉宽调制(pulse width modulation,PWM)产生内电势,无内电流和交流电压控制环,具有更好的动态支撑能力及稳定性;但当电网发生对称短路故障时,直接电压式虚拟同步机无法抑制故障电流,这将危及VSG的安全并限制了直接电压式虚拟同步控制的发展与应用前景。该文将虚拟电阻与相量限流方法相结合,在保证VSG正常运行频率、电压动态支撑的前提下,提出适用于直接电压式VSG的故障电流限制方法。仿真和实验结果证明了所提出的故障电流限制方法的可行性与有效性。     

自适应正负序复合控制的VSG低电压穿越策略

为了解决分布式新能源渗透率提高带来电网的系统等效阻尼和惯性降低的问题，一些学者提出了虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制策略。为了能够抑制电网电压不对称跌落时电网电流中的负序分量，VSG多采用基于两相旋转坐标系下d-q轴的正负序复合控制；但是正负序分离的延时恶化了故障发生和恢复时VSG输出电流的过渡过程，造成VSG过流风险增加。针对此问题，文中首先分析了电网电压对称和不对称跌落故障时电网电压等效幅值波形的特点，并据此提出了一种自动识别出故障类型,实现自适应正负序复合控制的VSG低电压穿越策略，不仅能抑制不对称故障时输出电流中的负序分量，还减小了正负序分离的延时影响和VSG出现暂态过流的可能性，使故障发生和恢复时VSG输出电流的过渡过程更加平滑。最后通过搭建仿真系统验证了文中所提方法的可行性。     

采用串联网侧变换器的双馈风电系统高电压穿越控制策略

针对采用串联网侧变换器的双馈风电系统电机定子端电压灵活可控的特点,提出了适用于该系统的对称高电压穿越控制策略。该策略通过控制串联网侧变换器,实现电网电压对称骤升时发电机定子电压保持不变,从而抑制定子磁链的暂态直流分量,使得电机转子过电压及过电流得到有效抑制,且可有效减小发电机电磁转矩及功率的波动。在变流器电流容量的约束下,故障期间通过控制转子侧变换器与并联网侧变换器吸收无功功率,可实现该系统对电网的故障暂态无功支持。仿真结果表明,所提控制策略既能保证在电网发生对称骤升故障期间双馈风电系统不脱网运行,又可使该系统为电网电压的恢复提供无功支持。     

弱电网下并网逆变器正交功率同步控制策略

功率同步控制(power synchronization control,PSC)是电压源型逆变器(voltage source converter,VSC)连接至弱交流电网的有效控制策略。极弱电网的短路比(short circuit ratio,SCR)接近1,系统稳态功角接近90°的稳定运行极限。电网电压暂降极易引起VSC功角越过稳定极限并出现同步失稳。针对这一问题,该文首先通过相图法对PSC的暂态同步稳定性进行深入的分析,给出一阶同步环的暂态功角响应特性。然后,引入虚拟功率的概念,给出具有正/余弦特性的同步环暂态功角特性。进而,提出一种正交功率同步控制策略,该方法能够防止VSC在不同电网电压暂降深度下失去静态稳定工作点,有效的保证并网系统的暂态同步稳定。所提方法无需检测电网故障工况,且无需进行控制模式切换,提高了并网逆变器的控制性能。最后,通过半实物实时仿真验证所提出控制策略的有效性。     

电网电压骤降故障时双馈风机虚拟阻抗改进控制技术

针对电网电压骤降故障所导致的风电机组过电流问题,已有的基于虚拟电阻的过电流抑制技术无法兼顾过电流抑制效果和基频控制性能,同时未考虑系统的高频稳态性能,导致故障穿越期间的谐波抑制性能较差。为了兼顾故障穿越性能及故障穿越期间的谐波抑制性能,通过分析电网电压骤降时的双馈风机(DFIG)数学模型,研究了过电流及暂态磁链抑制机理,进一步基于虚拟阻抗技术,提出了电网电压骤降故障时DFIG改进控制技术。通过在机侧变流器转子电流控制环路中引入附加控制环,实现对暂态磁链振荡的抑制,从而提升DFIG低电压穿越性能。进一步地,对所提出的虚拟阻抗环节进行了参数设计分析,保证了该控制方法可以兼顾过电流抑制性能、高频性能及基频控制性能。最后,通过仿真结果验证了所提改进控制策略的有效性和可行性。     

全功率变换风电机组的电压源控制(二):电网故障穿越控制与保护EI北大核心CSCD

电压源风电机组可实现对电网频率和电压的自主快速支撑,是构建新型电力系统的关键装备。惯性同步控制方法通过直流母线电压对电网频率的自主感知同步电网和进行频率响应,是实现电压源风电机组的一种有效方法。然而,当电网暂态故障时,网侧变换器因输出功率受限无法控制直流母线电压稳定,打破了直流母线电压感知电网频率的机制,使得网侧变换器与电网失去同步;此外,惯性同步控制方法无电流内环,在暂态故障下容易出现过电流导致机组因自我保护而退出运行。针对上述问题,该文提出一种应对电网故障的电压源风电机组控制策略,具备暂态故障期间网侧变换器对电网同步的能力,采用电网电压和直流电压复合判断法控制同步环节准确切换,通过电压电流级联控制结构和虚拟阻抗自适应调节器有效抑制了暂态过电流,搭建了2.3MW永磁直驱风电机组的Bladed+RTDS硬件在环实验平台,验证了所提控制策略的有效性。     

基于动态电压补偿的VSG电流平衡及峰值电流控制

虚拟同步发电机(VSG)能够实现新能源机组友好并网。然而,传统的VSG技术主要适用于电网电压平衡工况,这使得VSG在电压不平衡情况下面临输出电流不平衡及过流等问题,为此提出一种基于动态电压补偿的VSG平衡电流控制架构及方法。通过负序电流抑制和峰值电流抑制策略,分别生成对应的补偿电压,使得VSG在电压不平衡时仍能输出平衡电流,且可抑制电网电压跌落瞬间的暂态冲击,以及确保稳态运行时的电流不超过安全阈值。同时,所提控制方法并未改变VSG等效为电压源的属性,保留了VSG的电压支撑能力。不同工况下的仿真测试结果验证了所提出控制方法的正确性和有效性。     

基于相位跳变补偿的虚拟同步发电机低电压穿越控制策略研究

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)作为构网型(grid-forming,GFM)逆变器控制技术之一，在提升电网的惯量、支撑电压等方面发挥巨大作用，但目前针对VSG短路故障的低电压穿越(简称“低穿”)控制策略的研究亟需进一步完善。在电力系统中，短路故障的发生与切除均会导致电网的拓扑结构随之改变，进而造成VSG并网点电压幅值与相位跳变。针对这一问题，该文分析了故障时幅值、相位跳变对常规低穿控制策略的影响，提出一种基于幅值切换与相位补偿的VSG改进低穿策略。该策略分别从幅值与相位两个角度对逆变器端口电压进行调控，能够实现低穿期间的过流抑制及功率输出的快速稳定。此外，该文针对故障恢复时同样存在并网点电压相位跳变问题，为抑制此时电压跳变对逆变器造成的过流冲击等问题，分析了VSG改进低穿策略在故障恢复期间的适用性；在此基础之上，进一步利用辅助控制实现低穿控制策略的平滑退出，恢复VSG正常控制状态。最后，利用MATLAB/Simulink仿真验证所提策略的有效性。     

电网对称短路故障时虚拟同步机电流解析计算及影响因素分析

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)技术能够显著改善新能源电力系统“低惯量”、“弱阻尼”等问题。目前VSG相关研究主要集中在惯量支撑、稳定性分析等方面，对于电网短路故障时VSG输出电流特性的研究相对匮乏，亟需开展相关研究工作。该文针对电网发生三相短路场景，在考虑电流控制内环响应时间的基础上，基于无功–电压电路方程与无功–电压控制方程，构建了有关VSG虚拟内电势的微分方程并进行求解；通过虚拟阻抗方程中电流与虚拟内电势的函数关系，进一步得到了VSG的短路电流解析表达式。在此基础上，该文明确了不同短路故障电压条件、不同控制参数对VSG故障特性的影响。最后，利用MATLAB/Simulink仿真验证了该文推导所得短路电流解析表达式及相关影响因素分析的正确性。