基于储能物理约束的虚拟同步机运行边界研究

由于微网中的高渗透率分布式电源无法为系统提供足够的惯量和阻尼,给系统的频率稳定性造成了极大的影响。虚拟同步机可通过控制使分布式电源并网变换器表现同步机的特性,储能是实现虚拟同步机为系统提供惯量和阻尼的物理基础,但储能的容量受限于环境和投资等因素。为获得储能对虚拟同步机系统的物理约束及其运行边界,该文建立虚拟同步机的小信号模型,基于此模型提出储能物理约束的计算方法。通过分析虚拟同步机输出不同无功功率时的动态特性,得到储能约束下的虚拟同步机运行边界。通过对不同惯量和阻尼下虚拟同步机的动态响应特性的分析,获得惯量和阻尼影响物理约束的机理。最后,通过PSCAD/EMTDC中搭建的仿真模型验证理论分析的正确性。     

基于模糊控制与扩张状态观测器的VSG电压治理策略

虚拟同步机技术作为解决电力电子装备缺乏"惯量"问题的先进控制技术,已被广泛应用于并网逆变器的控制中。但虚拟同步机技术存在一些问题,如参数变化引起的振荡问题以及负荷突变引起的电压、功率等不稳定的问题。通过虚拟同步机的小信号模型分析了参数变化对虚拟同步机动态响应性能的影响;其次,利用模糊控制算法设计了具有参数自适应能力的虚拟同步机控制策略,并通过将扩张状态观测器引入虚拟同步机技术以解决电压、功率的不稳定问题;最终经仿真与实验证明了所设计的控制方法的有效性与可行性。     

参数失配LCL型并网逆变器模型预测控制方法研究

针对LCL型并网逆变器模型预测控制过于依赖精确的数学模型且鲁棒性能差等问题,提出一种参数失配情况下的并网逆变器模型预测控制策略。根据LCL型并网逆变器的状态量建立离散参数观测器模型,实时估计电感和电容,并在线修正预测模型中的电感和电容参数,避免因外界扰动造成的参数失配对控制器带来的不利影响,增强控制器的鲁棒性能。仿真结果表明,所提控制策略可显著提高参数失配模型预测控制的并网电流质量,相同条件下,相比于无参数观测器的模型预测控制策略,总谐波畸变率下降了1.58%,验证了所提方案的正确性和可行性。     

多虚拟同步机系统的自适应滑模变结构控制方法

虚拟同步机是一种可以改善分布式能源并网兼容性的技术手段。目前有关虚拟同步机滑模控制的研究大多数仅针对于单机系统。由于单机系统无需考虑多机系统中出现的虚拟惯量等参数之间的耦合影响,这导致现有的滑模变结构控制策略不适用于多虚拟同步机系统,当功率波动时系统频率有可能产生振荡。针对上述问题,提出了多虚拟同步机虚拟惯量的整定判据,并基于整定判据提出多虚拟同步机系统的自适应滑模变结构控制策略,可以使系统中各台机组在扰动状态下输出稳定频率。通过自适应滑模变结构控制策略使得多虚拟同步机组在功率波动时输出稳定的频率,从而避免系统频率失稳。最后,通过搭建PSCAD仿真模型验证了理论分析的正确性及有效性,所提控制方法可提高多虚拟同步机系统的稳定性与鲁棒性。     

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。     

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。     

基于功率耦合的双馈风机并网系统同步控制技术

双馈风机处于虚拟同步运行时与同步发电机的功率耦合关系是合理设计控制参数、降低附加运行风险的关键。建立双馈风机并网系统的动态模型,分析处于虚拟同步运行时的双馈风机与同步发电机之间的功率耦合关系。分析风机同步并网耦合关系及控制参数对稳定性的影响,并引入耦合系数。基于此,提出基于功率耦合的双馈风机同步并网优化控制策略,通过动态调整风机虚拟惯量使双馈风机同步并网系统处于稳定运行区域,从而降低运行风险。最后,通过搭建双馈风机同步并网仿真系统验证了风电机组能够根据系统运行状态的动态变化提供虚拟惯量响应,从而为并网系统提供可靠的动态稳定支撑。     

改善含风电场虚拟惯量互联电力系统稳定性的自适应鲁棒滑模控制策略

在以风电为代表的可再生能源大规模接入传统电力系统的背景下,非同步机电源与同步机电源之间的耦合作用以及风电出力的不确定性,使互联电力系统稳定性控制面临复杂的运行场景。针对该问题,基于功率平衡原理建立考虑双馈风电机组虚拟惯量影响的同步发电机组等效转子运动模型,将系统参数协调性及故障因素统一表达为等效惯量参数摄动及有界的不确定扰动;运用滑模变结构方法,结合等效惯量和等效阻尼的可变性及可控性,提出一种自适应鲁棒滑模控制策略以改善互联电力系统的动态稳定性。理论分析和仿真结果表明,与传统的虚拟惯量控制方法相比,所提控制策略能够更好地抑制频率振荡,降低频率变化率以及相对功角振荡幅度。     

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。     

基于虚拟同步机控制的双馈风电机组预同步并网策略

采用虚拟同步机控制的双馈风电机组能提高电网惯量和频率支撑能力,成为实现可再生能源友好并网的有效途径之一。基于虚拟同步机控制的双馈风电机组直接参与电网并网时,由于缺少预同步锁相控制,双馈风电机组定子与电网的电压幅值和初始相位可能存在偏差。针对上述存在的并网问题,提出了一种虚拟同步机控制的双馈风电机组无锁相环预同步控制策略。通过在虚拟同步机外环控制中加入频率相位控制器和幅值预同步控制器,可以控制双馈风电机组并网前定子频率、相位和电压幅值与电网相同,并提出在无功功率-电压环中引入虚拟阻抗,实现了双馈风电机组快速地平滑并网。最后,通过理论分析和仿真结果验证了无锁相环预同步控制方案对虚拟同步机控制的双馈风电机组并网的有效性。     

负荷虚拟同步机惯性与阻尼自适应控制策略

虚拟同步机(VSM)技术通过模拟传统同步机转子惯性和系统阻尼,对电网提供惯性支撑。然而,阻尼与惯性的引入使得变换器的动态响应速度变慢,当变换器对输出功率进行主动调节时,无法快速、平稳地到达给定值。针对这一问题,提出一种惯性与阻尼自适应调节的负荷侧VSM优化控制策略。该控制策略通过在功率调节不同阶段,自主调节VSM的惯性J和阻尼D,实现对输出功率的优化控制。为了验证该控制策略的有效性,建立了VSM的MATLAB/Simulink模型,对其进行了仿真实验。仿真结果表明,与传统控制方法相比,基于该控制策略的同步机有功功率调节速度更快,调节过程中的波动和超调更小,具备更好的动态调节性能。     

虚拟直流电机的参数自适应控制策略

为了提升直流微电网的稳定性,虚拟直流电机控制被应用于直流变换器中,使变换器具有直流电机的外特性。但传统参数恒定的虚拟直流电机控制较难在提供惯性与阻尼支撑的同时实现较佳的动态性能。针对该问题,文中以Buck变换器作为研究对象。首先,建立虚拟直流电机控制小信号模型,分析了负载功率突变时转动惯量和阻尼系数对输出电压动态特性的影响。在此基础上,提出了虚拟直流电机参数自适应控制,给出了转动惯量和阻尼系数自适应调节原则和参数整定方法。最后,仿真与实验结果表明,相比传统虚拟直流电机控制策略,所提控制策略使系统在提供惯性和阻尼支撑的同时具有较快的响应以及较小的超调,可较好地抑制直流母线电压的波动。     

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。     

改善独立微网频率动态特性的虚拟同步发电机模型预测控制

随着分布式能源在独立微网内的渗透率不断升高,系统惯量水平逐渐降低。虚拟同步发电机(VSG)由于能够模拟惯量,对系统频率的动态变化具有一定的阻尼作用,已逐步应用于微网中。针对新能源出力波动或负荷投切等导致微网内瞬时功率失衡,进而引起系统频率振荡甚至超过安全约束的问题,提出了基于模型预测控制(MPC)的VSG控制方法。建立了以频率变化率为约束,以频率偏差和VSG出力加权值为优化目标的预测模型。设计了根据系统频率及VSG输出电压—电流等物理量,利用预测模型计算所需功率增量,并据此改变VSG输入功率设定值的整体控制策略。同时,给出了预测模型的求解算法,并对算法收敛性进行分析,为关键参数的选取提供了依据。通过独立微网内负荷投切和分布式电源出力波动等典型工况下的仿真,验证了所提控制策略的正确性和有效性。     

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。     

A weighted voltage model predictive control method for a virtual synchronous generator with enhanced parameter robustness

To address the problem of insufficient system inertia and improve the power quality of grid-connected inverters, and to enhance the stability of the power system, a method to control a virtual synchronous generator (VSG) output voltage based on model predictive control (MPC) is proposed. Parameters of the inductors, capacitors and other components of the VSG can vary as the temperature and current changes. Consequently the VSG output voltage and power control accuracy using the conventional MPC method may be reduced. In this paper, to improve the parameter robustness of the MPC method, a new weighted predictive capacitor voltage control method is proposed. Through detailed theoretical analysis, the principle of the proposed method to reduce the influence of parameter errors on voltage tracking accuracy is analyzed. Finally, the effectiveness and feasibility of the proposed method are verified by experimental tests using the Typhoon control hardware-in-the-loop experimental platform.     

PMSG风机直流电容虚拟惯性控制及惯性影响分析

为解决风电在电力系统中渗透率不断增加而导致的电网惯量不断降低的问题,提出了永磁直驱风机参与电网频率调节的直流电容虚拟惯性控制。该虚拟电容控制能够耦合直流电压和交流频率,利用储存在直流电容中的静电能提供惯性支撑,并能有效地抑制频率变化的斜率和减小最大频率偏差,提高频率的动态特性。此外,详细研究了影响虚拟惯性时间常数的关键参数以及虚拟惯性时间常数与直流电容的确切关系,并给出了相关参数的选取方法。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建仿真算例,仿真结果表明直流电容虚拟惯性控制能够准确模拟同步发电机的惯性响应,其控制性能优于传统转子虚拟惯性控制。