Stabilization of a Power System Including Inverter‐Type Distributed Generators by a Virtual Synchronous Generator

The capacity of distributed generators (DGs) connected to the grid by inverters is growing year after year. The inverters are generally controlled by a phase locked loop (PLL) in order to achieve synchronization with the power system frequency. Power systems may become unstable as the capacity of the inverter‐type DGs continues to increase, because the inverter frequency is controlled just to follow the frequency determined by other synchronous generators. It has been suggested that inverters be controlled to behave like a synchronous generator. This concept is referred to as the virtual synchronous generator (VSG). In this paper, a control scheme for a VSG is presented, and the design method for the required energy storage and the capacity for grid stabilization control by a VSG is investigated by computer simulations.     

虚拟同步机多机并联稳定控制及其惯量匹配方法

虚拟同步发电机(VSG)技术作为一种分布式电源主动参与电网频率电压调整的新型控制方式,得到了越来越多的关注。通过对同步发电机外特性的模拟,使得微电源逆变器具有同步发电机相同的转动惯量、一次调频、无功调压等特性。提出简化的VSG虚拟惯量控制器,避免了锁相环(PLL)误差引起的频率指令波动对系统稳定性的影响,建立包含中间控制环节状态变量的VSG并联系统小信号模型,并针对主要控制参数对系统稳定性及动态响应的影响进行了分析,最后利用等效同步发电机原理,提出了虚拟同步发电机多机并联运行的虚拟惯量匹配方法,仿真和实验结果验证了所提方法的正确性和有效性。     

虚拟同步发电机对低频振荡的影响建模与特性分析

虚拟同步发电机(VSG)控制可模拟同步发电机(SG)的运行特性,帮助逆变电源克服惯量小、阻尼低的缺点,但VSG控制可能使逆变电源参与大电网机间或区域低频振荡。针对该问题,文中构建适用于电网低频振荡特性研究的VSG-SG互联系统小信号模型,并以此为基础,对比研究VSG和SG影响系统低频振荡模态的区别与联系,揭示VSG参与电网低频振荡的机理,辨析VSG各控制环节对低频振荡模态的影响力,分析不同类型VSG的低频振荡风险。最后,通过RT-LAB平台进行实验,验证了小信号模型分析的结果。     

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。     

基于虚拟同步发电机的逆变器类电源频率特性及重塑技术

由于微电网(microgrid,MG)内参与调频的逆变器类电源和传统同步机类电源的特性差异,会造成并列运行过渡过程品质恶化,并可能引发系统瓦解.针对这一问题,首先对两类分布式电源(distributed generator,DG)的频率特性进行了理论分析和仿真分析,明确了其频率特性差异;在此基础上,基于虚拟同步发电机(...     

基于惯量支撑和一次调频需求的VSG储能单元配置方法

分布式电源大量接入电网会引发电网惯量、阻尼缺失和系统稳定性下降问题,虚拟同步发电机(VSG)在分布式电源友好接入和提高电力系统稳定性等方面极具应用前景。作为虚拟惯量的物理基础,储能单元的配置直接影响着VSG的性能和成本。文中基于VSG的惯量支撑、一次调频两大基本功能,建立了响应电网频率波动的储能单元出力模型,提出了一种以元件参数和控制参数为基础的储能单元配置方法。然后,计及下垂系数、阻尼系数和惯性常数,研究了储能单元出力的暂态特性及其调节机制,并分析了储能单元功率、容量需求受控制参数影响的机理,明确了影响程度最大的控制参数。最后,借助仿真和实验证明了所提方法的正确性。     

基于双机并联虚拟同步机系统的自适应控制策略研究

近年来,为了使分布式发电系统呈现类似于同步发电机的特点,基于同步发电机机电暂态分析理论的虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator, VSG)控制技术受到了世界各国学者的广泛关注。然而多并联VSG系统在并网和故障稳定的过渡过程中存在功率振荡及频率波动,对电力系统的动态响应和稳定性有负面影响。文章介绍了VSG控制策略,建立了两台VSG并联的小信号模型,分析振荡时系统变量的变化情况,并提出一种基于自适应前馈控制的双机并联VSG控制策略。通过角频率的变化自适应增加前馈量补偿系统的功率缺额,提高了系统的响应速度和功率分配精度,抑制系统频率波动和有功功率振荡,保证了系统的快速稳定和安全性。最后在Matlab/Simulink平台上建立了仿真模型,仿真结果证明了所提出控制策略的可行性和有效性。     

基于虚拟同步发电机的逆变电源控制策略研究

针对采用常规下垂控制方法的逆变电源存在稳定时电压和频率的偏移,不能完全满足电网运行要求的问题,采用了一种新的逆变电源控制方法即虚拟同步发电机(VSG)控制策略。建立了虚拟同步发电机的模型,参考同步发电机控制理论,重点设计了功频控制器和励磁控制器,搭建了以大容量汽轮发电机模拟电网的逆变器并网发电系统。通过Matlab/Simulink仿真验证了虚拟同步发电机中转动惯量的作用和虚拟同步发电机的并网调节特性,仿真结果表明,基于虚拟同步发电机的逆变电源在外特性上近似等效为一个同步发电机,具有良好的调频调压性能,能很好地适应电网的运行要求。     

Microgrid control based on a grid-forming inverter operating as virtual synchronous generator with enhanced dynamic response capability

This paper focuses on improving the dynamic response of autonomous microgrids (MGs) by proposing a grid-forming inverter controlled as a virtual synchronous generator (VSG), in combination with a supercapacitor (SC)-based energy storage system (ESS). By this arrangement, the MG-forming VSG is designed to react only in transitory regimes, the steady-state load being distributed to other MG-supporting inverters spread within the MG. In this way, the MG-forming VSG can maintain its full power reserve capacity for dynamic response. The paper details the control solution for the MG-forming inverter, including the VSG and SC-ESS control. The control method for the MG-supporting inverters that allow achieving the proposed control approach is also described. To prove the concept, the paper includes simulation results and experiments accomplished on a complex laboratory MG system based on three parallel inverters, one being controlled as MG-forming VSG, while the others operating as MG-supporting inverters.     

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。     

虚拟同步发电机技术及展望

随着分布式电源渗透率增加,电网将逐步发展为电力电子变换器为主导的低惯量、欠阻尼网络,稳定性问题愈发严重。虚拟同步发电机(VSG)技术因其能使逆变器模拟同步发电机运行机制、有利于改善系统稳定性而成为研究热点,并具有广泛的应用前景。首先介绍了VSG的基本原理,然后从运行控制、稳定分析以及典型应用等方面分别综述了VSG技术的关键问题与研究现状,并从中提炼出后续可能的研究方向。     

基于改进虚拟同步发电机控制技术的低压微电网功率分配策略

低压微电网中,采用虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)策略控制多台逆变器并联运行时,由于线路阻抗差异较大,无法实现输出功率的按容量精确分配。针对这一问题,文章提出一种改进的VSG控制技术,在无功电压控制环中引入公共点电压反馈和积分环节,消除线路阻抗对无功分配的影响;并在虚拟阻抗环引入无功功率反馈,根据系统运行情况实时调整虚拟阻抗的阻值。在Matlab/Simulink环境下搭建了仿真模型,仿真结果表明,所提改进控制策略实现了有功和无功功率的精确分配,降低了逆变器输出电压幅值跌落,并且具有较强的鲁棒性。     

基于下垂控制逆变器的虚拟发电机建模与特性研究

当今电网中分布式电源比重不断增加,因电力电子变换器带来的欠阻尼、低惯量电网稳定性问题越来越多,如何通过有效合理的控制方法控制并网逆变器,将分布式电源安全可靠地接入电网成为研究的热点。基于下垂控制逆变器的虚拟发电机(VSG)技术能够模拟同步发电机运行特性,将分布式电源呈友好特性并入电网。文章搭建了虚拟发电机模型,利用Matlab/Simulink软件构造出单机无穷大系统算例,仿真虚拟发电机的运行特性,验证了所提虚拟发电机技术的可行性,为其在电网中的应用提供理论支持。     

基于自适应虚拟阻抗的虚拟同步机功率解耦控制策略

伴随着分布式能源渗透率的提高,电力系统中同步发电机的装机比例逐渐减小,电力系统的稳定性日益受到挑战,其稳定性分析方法与提高措施均亟待研究。虚拟同步机(VSG)能够在一定程度上为系统提供惯性和阻尼,被视为提高系统稳定性的重要措施。然而,VSG通常接入中低压配电网,不仅呈阻感特性的线路阻抗会造成功率耦合,而且功角过大也会造成功率解耦控制困难。文中分析了线路阻抗及功角所造成的功率耦合机理,并通过建立VSG并网时功率与频率的响应模型,发现有功功率的大幅度增加或电网频率下降都会造成功角变大、无功功率控制出现显著偏离的情况,为此提出了基于自适应虚拟阻抗的VSG功率解耦控制策略。最后,利用PSCAD/EMTDC搭建VSG并网模型,验证了所提出解耦控制策略的正确性与有效性。     

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。     

基于极点配置的新能源并网附加阻尼控制策略

大量新能源经电力电子装备接入电网改变了电力系统的阻尼特性,导致同步发电机低频振荡问题凸显,对系统安全稳定运行构成威胁。虚拟同步发电机作为一种新型的变流器控制技术,有必要对新能源基于该技术接入系统的阻尼特性进行深入分析。首先,建立虚拟同步发电机控制器的数学模型与同步发电机模型。其次,以新能源并入单机无穷大系统为研究对象,基于小信号分析法分析该策略与同步发电机的运行特性耦合机理。最后,提出一种新能源并网的附加阻尼控制策略,并基于电力系统极点配置法,设计附加阻尼控制器以改善系统阻尼特性并抑制系统低频振荡,仿真结果验证了理论分析的正确性。     

虚拟同步机并联电流控制型变换器系统暂态同步稳定性分析

并网并联供电系统中,电流控制型变换器注入电流对虚拟同步机暂态同步稳定性有不可忽视的影响,甚至可能导致系统出现不可逆失稳问题.研究并联供电系统中变换器间的交互机理是保证系统在暂态过程中安全稳定运行的重要前提.文中建立了电流控制型变换器与虚拟同步机暂态交互模型,发现注入电流对虚拟同步机暂态稳定性的影响主要由功率耦合项决定....     

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。     

风电场故障特性仿真研究

在DIgSILENT/Power Factory中构建了含风电场的电力系统仿真模型,对由恒速异步风电机组和双馈异步风电机组构成的风电场的故障特性及其影响因素进行了仿真研究,对比分析了不同类型的风电机组与相同容量的同步机组的故障特性的异同。仿真和分析结果表明：不同类型的风电场在系统故障时提供的短路电流不同,并远小于相同容量的同步机组所提供的短路电流,因此可以在短路电流过大的地点建设相同容量的风电场而不是传统的火电厂;在含风电场的配电网中,要考虑风电场对继电保护的影响,在风电接入系统的可研阶段不能简单将风电场视为相同容量的同步机组进行研究。     

大电网中虚拟同步发电机惯量支撑与一次调频功能定位辨析

随着可再生能源渗透率的不断提高,同步电网的惯量和一次调频的能力都在不断下降,而如果可再生能源发电采用虚拟同步发电机(VSG)技术,则可以在大功率缺额冲击下对减小系统频率变化率和频率偏差做出应有的贡献。针对VSG研究中惯量支撑与一次调频功能定位不清晰的现状,亟须明确VSG在大电网中应用时此两者的功能定位需求。文中深入分析了VSG的惯量支撑功能及其物理意义,推导了VSG的惯量支撑功率表达式,辨析了VSG惯量支撑功能与一次调频功能的定位区分,仿真分析了VSG在大型同步电网频率事故过程中采用不同控制功能对系统频率变化的作用。最后指出,在大型同步电网中,一次调频能力下降比系统惯量下降所带来的影响更为严重,因此较之于短时的惯量支撑功率,系统更需要VSG发挥一次调频功率的持续支援作用。