改进型虚拟同步发电机控制策略

传统的虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制策略由于在本体模型中转动惯量为常数,会使并网逆变器在接近稳态时产生功率振荡和功率偏差。针对这个问题,提出一种改善的VSG控制策略。该控制策略在传统的本体模型中使用带通阻尼系数代替常数阻尼系数,当电网频率与转子频率偏差较小时,使并网逆变器能够迅速进入稳定状态,与传统的常数阻尼系数相比,带通阻尼系数不仅能够抑制功率振荡而且不会影响VSG输出有功功率。在MATLAB/Simulink中对该控制策略进行验证,结果表明在离网和并网情况下该控制策略可以实现正常运行,满足电能质量的要求。     

基于暂态阻尼增强的改进VSG控制策略

针对虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)并网运行时在有功指令和电网频率扰动下存在输出有功暂态振荡问题,提出了一种基于暂态阻尼增强的改进VSG控制策略。首先,基于状态反馈理论,分析了所提控制方法的物理意义,即该策略是通过在常规VSG有功控制环中加入角频率和电磁功率的高频分量来增强系统暂态阻尼。然后,基于所提的控制方法,建立了系统的有功控制环闭环小信号模型,并通过对系统特征根的根轨迹进行分析揭示了所提控制方法对VSG有功功率振荡抑制的影响。并给出了各状态反馈参数的设计准则,指导了反馈系数的设计。所提控制策略能有效抑制有功指令突变和电网频率突变时VSG输出有功功率振荡,并且不会影响系统的稳态特性。最后,通过仿真和实验对比分析,表明所提控制方法具有更好的有功功率振荡抑制效果,并且能消除稳态偏差,且适用于不同电网强度。     

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。     

基于虚拟稳态同步阻抗的VSG输出阻抗与小信号建模分析

虚拟同步发电机VSG（virtual synchronous generator）由于能够模拟同步发电机的运行特性而受到日益关注。通常而言,VSG通过下垂控制自动独立调节频率和电压,存在有功功率和无功功率易发生耦合振荡等问题,而虚拟稳态同步阻抗方案是一种能够通过调整逆变器输出阻抗特性从而抑制功率耦合振荡的有效方案。首先,介绍了基于虚拟稳态同步阻抗VSG控制策略的基本原理,分析了该方案下的VSG输出阻抗特性,发现该方案下的输出阻抗可由设定的虚拟稳态同步阻抗决定,与逆变器自身的滤波器和闭环控制器等参数无关;然后,通过建立逆变器小信号模型,得出了虚拟稳态同步阻抗可以增加VSG系统低频域特征根阻尼比,有效抑制功率耦合振荡的结论;最后,结合Matlab/Simulink仿真和实验,进一步验证了基于虚拟稳态同步阻抗的VSG控制策略理论分析的正确性。     

VSG一次调频和转速振荡阻尼的解耦控制方案

现现有二阶模型的VSG控制方案,对一次调频和转速振荡阻尼功能的定位与区分并不明确,表现为阻尼系数或有功调频系数的取值会同时影响到VSG的稳态功率/频率偏差和振荡阻尼性能。分析了一次频率调节和转速阻尼的物理本质,提出采用转速阻尼功率高通反馈和一次调频功率低通反馈改进VSG功频控制模型,实现了一次调频和转速阻尼作用的区分。根据同步发电机组的电磁暂态、机电动态以及稳态响应的频域特性,将VSG的调节器分为高、中、低3个作用频段。进而,分别在单机并网模式和双机并联模式下分析了一次调频和转速阻尼的频域响应特性。实验表明:所提方案同时实现了稳态功率调差分配和转速振荡抑制两个目标,并且这2个目标分别与VSG的调频系数和转速阻尼系数对应。     

基于多环虚拟同步发电机的功率控制

在传统下垂控制中,由于缺乏惯性和过度下垂特性的限制,微电网电压、频率在负荷变化过程中会出现波动过快以及偏差越限现象。针对这一问题,提出一种多环虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)功率控制策略。首先,在有功-频率下垂控制中引入虚拟惯性和一次调频控制器,抑制频率振荡并解决有功负荷突增引起的频率偏差越限问题;其次,在无功-电压下垂控制中引入虚拟励磁和一次调压控制器,抑制电压幅值振荡并解决无功负荷突增引起的电压偏差越限问题;最后,结合电压、电流双闭环控制,可以有效保证VSG供电电能质量。应用M ATLAB/Simulink软件搭建了微电网仿真模型进行仿真,结果验证了该控制策略的可行性与有效性。     

考虑超调的虚拟同步发电机暂态功率振荡抑制策略

虚拟同步发电机(VSG)在有功指令和电网频率扰动下存在输出有功暂态振荡和稳态偏差的问题。控制中增加暂态阻尼环节可以抑制振荡、避免稳态偏差,但存在较大超调问题。通过建立VSG在2种扰动下的有功闭环小信号模型,依据根轨迹分析振荡抑制效果,进一步结合零点分析超调,得到暂态阻尼策略下VSG超调的原因和特性,并提出2种基于有功暂态补偿的VSG功率振荡抑制策略：暂态前馈补偿和暂态反馈补偿。2种改进策略均可以提升系统的暂态阻尼,有效抑制VSG有功振荡,既不会增大稳态偏差,又能大大减小超调。通过MATLAB/Simulink仿真及StarSim硬件在环半实物实验验证了所提策略的正确性和有效性。     

基于VSG的储能系统并网逆变器建模与参数整定方法

从并网逆变器主电路和同步发电机等效电路的对应关系出发,提出模拟同步发电机转子的运动方程、有功-频率下垂特性与无功-电压下垂特性的虚拟同步发电机(VSG)外环控制策略。引入虚拟阻抗模拟同步发电机定子电气方程的电压环,和基于准比例谐振控制器的电流环共同构成应用于储能系统并网逆变器的VSG控制策略。建立应用于储能系统并网逆变器的VSG动态小信号模型,分析其参与电网需求响应的机理。推导得出VSG参与电网调压/调频需求响应的动态模型,为研究电网电压/频率波动时VSG无功/有功输出特性提供依据;进而在保证有功环、无功环的稳定性与调压/调频动态性能的条件下,总结得到VSG关键参数的整定方法。最后通过仿真与实验验证了所提VSG参与电网调压/调频动态模型的正确性与参数整定方法的有效性。     

基于VSG的改进型虚拟阻尼控制策略与特性分析

传统虚拟同步发电机（VSG）控制策略可模拟同步发电机的惯量和阻尼特性,但会使并网逆变器产生功率振荡和功率偏差。针对虚拟同步发电机动态过程中存在的功率振荡问题,提出一种基于VSG的改进型虚拟阻尼控制策略来抑制功率振荡。首先介绍了传统阻尼绕组与常系数虚拟阻尼绕组抑制功率振荡的原理及特性,其次利用根轨迹法分析设计了改进型虚拟阻尼控制策略的参数,最后搭建仿真模型验证了该控制的有效性及准确性。     

基于改进虚拟同步发电机控制的功率交互振荡抑制策略

在指令功率发生扰动时,虚拟同步发电机控制环路易产生功率交互振荡,威胁系统的安全稳定运行。为此,提出一种基于改进虚拟同步发电机控制的功率交互振荡抑制策略。基于相对增益矩阵原理研究不同系统参数变化时虚拟同步发电机输出功率间交互作用的变化规律;采用转速阻尼功率高通反馈改进虚拟同步发电机有功功率-频率控制环路,并通过绘制Bode图对比传统虚拟同步发电机控制策略与改进虚拟同步发电机控制策略的暂态和稳态性能;利用相对增益矩阵原理分析改进虚拟同步发电机控制策略的有功功率环路交互作用情况。仿真及实验结果表明,所提策略可有效实现虚拟同步发电机交互振荡的抑制。     

新型虚拟同步电动机电网电压前馈控制策略

虚拟同步电动机(又称负荷虚拟同步机)能够自适应参与电网调频、调压服务,是一种潜在的"源-网-荷"灵活互动方式,其基本拓扑包括AC/DC变换器和DC/DC变换器。针对其故障穿越场景,提出了一种虚拟同步电动机电网电压前馈控制策略。对于AC/DC接口,以控制其直流侧电压和无功功率为目标,控制策略中应用同步电机的机械转矩方程和电磁方程,赋予整流器虚拟惯性和阻尼特性,同时引入电网电压瞬时值前馈环节,提高系统的动态性能;在DC/DC接口控制策略中,以控制有功功率为目标,引入有功-频率下垂控制方程,实现负荷对电网的频率响应。提出的控制策略,能够使设备在电网电压和频率发生异常时,迅速做出响应,为电网提供必要的功率支撑,并在电网电压跌落的瞬间,抑制并网点电流的冲击,维持系统稳定运行。     

一种改进型虚拟同步发电机控制方法研究

新能源发电系统中,目前的传统并网控制方式很难满足电网要求,基于虚拟同步发电机(VSG)的并网方式成为研究热点。此处提出一种改进型VSG控制方法,具有传统同步发电机组惯性、调频调压等功能,无需锁相环检测电网频率来实现有功功率-频率下垂控制。首先介绍该控制方法的基本原理:然后给出控制参数的设计方法;最后采用仿真及实验对所提的控制方法进行验证,仿真及实验结果表明该方法能有效调节逆变器的输出功率并且与电网保持同步,在不检测电网频率时也能自动跟随电网频率调整有功输出。     

基于频率偏差积分补偿的VSG控制策略

在多微源组网的独立微网中,采用传统的虚拟同步发电机(VSG)控制可在一定程度上改善系统的惯性和频率特性,为进一步优化频率和功率的暂态响应特性,提出一种基于频率偏差积分补偿的VSG控制策略。该控制策略将频率的变化量经积分后补偿到一阶虚拟惯性环节的前向通道上,以减小因负载扰动对系统产生的功率冲击,从而抑制功率和频率振荡,保证了输出功率稳态控制精度,加快了动态功率和频率的响应速度并防止其振幅变化过快。同时,在有功频率控制环节中保留一次调频系数,使得系统的稳态调频特性得以保留。在此还通过建立组网逆变器的小信号模型进一步探讨了不同的虚拟惯量和阻尼系数对系统暂态响应的影响,并提供了虚拟惯量和阻尼系数的设定方案和整定方法。最后,利用Matlab/Simulink和dSPACE平台验证了所提控制策略的有效性。结果表明,基于频率偏差积分补偿的VSG控制策略,在改善系统暂态响应特性方面比传统的VSG具有更好的效果。     

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。     

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。     

用于储能变流器的改进型VSG控制方法

文章提出一种改进型虚拟同步机(virtual synchronous generator,VSG)控制方法应用于交流微网环境下的储能变流器。针对传统VSG存在的有功功率振荡问题,加入虚拟电抗模块,以实际同步机的典型直轴暂态电抗为目标值来调节VSG对外表现电抗,提高系统的阻尼系数,实现有功功率振荡的抑制。针对传统VSG存在的无功功率分配不合理问题,提出采用稳定的交流母线电压作为励磁控制的参考值,给出通过机端电压以及线路参数估算母线电压的方法,并分析选取合适的下垂系数,实现有功和无功功率解耦,且输出无功功率能够按各机容量比精确分配。最后使用M ATLAB/Simulink平台进行仿真,将该方法与传统VSG控制进行对比,验证所提控制策略的有效性与优越性。     

基于频率超前校正的VSG并联系统有功振荡抑制策略

针对虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)在外界扰动时存在的有功暂态振荡问题,提出一种基于频率超前校正的VSG并联系统有功振荡抑制策略。首先,建立VSG并联系统有功环小信号模型,分析负载功率突变时的VSG有功振荡机理。然后,基于微分超前校正思想并结合VSG有功环控制结构,将有功功率反馈至频率偏差之上,从而增大系统阻尼程度并抑制VSG并联系统有功暂态振荡。接下来,建立改进型VSG并联系统状态空间模型,通过根轨迹分析系统动态响应性能。最后,通过Matlab/Simulink仿真和实验验证了该方案能够有效抑制VSG并联系统有功暂态振荡,并且不影响其稳态有功特性。     

虚拟同步发电机的功率动态耦合机理及同步频率谐振抑制策略

随着新能源并网的增加,现有并网逆变器采用的直接电流控制无法有效跟踪电网电压。虚拟同步发电机(virtual synchronous generators,VSG)技术通过模拟同步发电机运行机制,改善了系统稳定性,成为解决分布式电源高渗透率问题的有效方案之一。然而,虚拟同步发电机存在同步频率谐振现象,容易引发功率振荡,导致系统不稳定。该文分析电磁磁链的动态过程;通过建立虚拟同步发电机的宽频域功率动态耦合模型,发现有功–无功的功率耦合效应会加剧同步频率谐振;基于同步频率谐振的产生机理,采用有源阻尼控制的策略能有效抑制该谐振问题。最后,通过搭建实验平台,验证虚拟同步发电机中的同步频率谐振现象、有功–无功动态耦合效应正确性及阻尼抑制策略的有效性。     

电网频率偏差下虚拟同步发电机改进控制研究

虚拟同步发电机(VSG)由于模拟了同步发电机(SG)的调频调压特性和惯性阻尼作用而得到广泛关注。传统的VSG特性分析一般针对电网频率为额定频率的情况,当电网频率不等于额定频率时,仍然采用传统VSG控制将会使VSG动态特性发生变化以及输出有功功率稳态值出现偏差,现有文献对电网频率偏差下的VSG动态特性缺乏分析且现有方案不能完全解决有功功率偏差问题。文章首先分析了电网频率偏差对VSG有功功率和频率特性造成的影响,进而提出一种改进有功频率控制策略,并对改进控制策略进行分析。最后通过matlab/simulink仿真验证所提控制策略在改善动态特性和消除稳态偏差方面的有效性。     

优化储能VSG动态特性的d轴电流微分前馈控制

传统储能虚拟同步机(virtual synchronous generator,VSG)控制的动态特性和下垂特性无法单独调节,因而不能较好地同时满足抑制有功功率动态振荡及电网一次调频的需求。为此,提出了一种优化储能VSG动态特性的d轴电流微分前馈控制方法。该方法利用d轴电流经微分环节前馈到有功功率控制环路,通过调节微分环节的参数改善VSG的动态特性且不影响下垂特性,同时不加剧有功功率和无功功率之间的动态耦合程度。首先分析了所提方法通过调节系统阻尼比改善动态特性的控制机理,给出了微分环节参数的设计方法。然后建立了考虑所提方法的状态空间小信号模型,接着利用参与因子确定了特征根和状态变量的关联程度,在此基础上详细分析了相关参数对动态特性的影响,同时利用参数灵敏度分析了微分环节参数对所有特征根的灵敏度影响。进一步分析了含电流微分前馈控制的VSG的解耦特性和鲁棒性。最后通过仿真和实验验证了电网频率变化和功率设定值变化时所提方法的有效性。