虚拟同步机技术在电力系统中的应用与挑战

虚拟同步机技术是通过模拟同步机组的机电暂态特性,使采用变流器的电源或负荷具有同步机组的惯量、阻尼、频率和电压调整等运行外特性的技术。虚拟同步机技术伴随清洁能源装机数量显著增加,而成为当前并网技术研究的热点。论述了近年来国内外的研究成果,在虚拟同步机技术分类、功能、控制方法等方面介绍了虚拟同步机相关概念,从光伏虚拟同步发电机、风机虚拟同步发电机、储能虚拟同步机和负荷虚拟同步机四个方面,结合实际工程介绍了其主要的应用方式。因虚拟同步机技术的实现载体是电力电子装置,特别介绍了参数设计和稳定性相关研究进展。最后,总结当前存在的问题和发展前景。     

多逆变器下垂协调控制方法综述

下垂控制是微电网中多个分布式发电单元(DG)实现功率协调的重要控制方法。对现有的下垂控制方法进行了归类和综述,将其分成有功-频率、无功-电压下垂控制,电压-相角下垂控制和虚拟同步机控制三类,对这三类方法的基本原理和改进方法进行了介绍,为研究人员开展后续研究提供借鉴和参考。     

考虑阻尼和惯性的虚拟同步机建模方法研究

下垂控制使电力电子接口具有同步发电机的一些外特性,如实现下垂曲线等,却不能为电网提供阻尼和惯性。为了模拟同步发电机的阻尼和惯性环节,本文通过分析如何从下垂控制演化为虚拟同步机控制,建立包括阻尼和惯性环节的类似同步发电机机械方程的模型,让电力电子变换器具有同步发电机的阻尼和惯性特性。仿真和实验验证了方法的可行性和正确性。     

考虑风速影响的双馈风机调频建模及稳定性分析

由于实际运行中风速的随机性和不确定性,针对风速变化对不同控制策略下双馈风机系统运行稳定性和调频效果影响进行研究,可为多工况下调频控制方法的选择提供依据。首先,分析双馈风机系统的基本控制模型,比较虚拟同步机和下垂控制调频机理的联系和区别;其次,评估不同风速下双馈风机系统的有效调频动能,建立包含风速变量的双馈风机调频系统小信号模型,并在此基础上推导出风机系统等效惯量和风速的耦合关系,根据伯德图和特征根的根轨迹图分析初始运行风速对虚拟同步机和下垂控制双馈风机系统调频动态特性的影响,确定虚拟同步机控制的临界振荡风速;最后,利用DIgSILENT进行时域仿真,验证理论分析的正确性。     

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。     

虚拟同步机技术系列标准解读

虚拟同步机技术是指通过模拟同步机组的机电暂态特性,使采用变流器的电源或负荷具有同步机组的惯量、阻尼、频率和电压调整等运行外特性的技术,作为解决新能源发电接入电网稳定运行的重要技术手段之一,相关技术标准的制定变得尤为重要。文章对目前国内仅有的虚拟同步机技术相关1项国标、3项企标进行了详细的解读,系列标准对虚拟同步机技术中经常涉及但容易混淆的相关术语和定义进行了规范,规定了虚拟同步机运行时需具备调频、调压、惯量和阻尼控制等方面的功能和技术要求,以及单元式光伏虚拟同步发电机和风电机组虚拟同步发电机的技术要求和试验方法,为虚拟同步机技术体系标准的逐步完善和应用提供了依据。系列标准的颁布为电力系统的稳定运行提供了保障。     

虚拟同步双馈风机对同步机作用路径及低频振荡影响分析

针对具有虚拟同步控制的双馈感应发电机机对系统低频振荡产生影响的问题,基于虚拟同步双馈风机的内电势运动方程,通过建立两机系统的线性化模型,分析了虚拟同步双馈风机对同步机作用的路径和物理过程,并采用阻尼转矩法阐明了虚拟同步双馈风机对同步机低频振荡的影响机理,最后进行了仿真验证。仿真结果表明:虚拟同步双馈风机内电势的相位受同步机内电势相位和幅值的变化而变化,继而直接影响同步机有功功率,或通过影响同步机端电压幅值变化的支路间接影响同步机有功功率,它们是虚拟同步双馈风机影响同步机阻尼的主要途径,此外,增大虚拟惯性时间常数和阻尼系数可以改善同步机低频振荡的阻尼,而增大电压控制带宽则会使同步机低频振荡的阻尼恶化。     

微网逆变器低电压穿越控制策略

微网逆变器一般采用下垂控制或虚拟同步机控制,其低电压穿越方式及特性与基于PQ控制的逆变器不同。下垂控制或虚拟同步机控制的逆变器低电压穿越的主要问题是在故障期间逆变器电压与电网电压之间不断产生相位的偏移,该相位偏移会严重影响并网电流恢复的速度。针对上述问题,提出一种在故障期间对功角等变量进行记忆保持的策略,使变量在故障前后基本保持一致,以实现故障后系统的快速恢复。针对故障期间产生的负序分量,采用在双同步旋转坐标系下对正、负序电流进行独立控制并引入电网电压前馈的方法。仿真和实验均验证了控制策略的正确性和有效性。     

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。     

灵活虚拟同步机主要控制参数对系统频率稳定性的影响分析

基于虚拟同步机(VSG)控制的换流器可以模拟出同步发电机的惯性,虚拟惯量可在一定范围内灵活调整是其区别于传统同步发电机的重要优势。然而,灵活虚拟同步机(FVSG)控制参数的变化会对系统频率稳定性造成严重影响,探究主要控制参数对系统频率稳定性的影响规律对其大小选择具有重要意义。首先给出了固定惯性时间常数下的虚拟同步机控制策略,构建了VSG的控制框架;其次,研究了3种典型的FVSG控制方法,并对其进行了对比分析;最后,针对基于指数惯量的灵活虚拟同步发电机控制技术,通过构建小信号模型、灵敏度计算及根轨迹分析的方法,揭示了主要控制参数对系统频率稳定性的影响规律,为控制参数的选择提供了依据。     

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。     

虚拟稳态同步负阻抗的VSG功率解耦策略

伴随着分布式能源渗透率的逐渐提高,电力系统中的转动惯量相对减小,严重影响到系统安全稳定运行。其中虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator, VSG)因具备同步发电机的相关特性而备受关注。针对VSG实际输出端口点到并网点的传输功率过程中存在耦合而引起VSG功率控制产生稳态误差和动态振荡,从而引起下垂特性的变化的情况,在对动静态功率耦合机理分析的基础上,提出基于虚拟稳态同步负阻抗的功率解耦策略,更好地消除了功率环间的耦合作用。通过建立基于所提出的VSG新型功率解耦策略的全局状态空间小信号模型,证明了该解耦策略的有效性。最后,搭建了基于解耦策略的VSG实验平台。通过实验结果验证了所提解耦策略的有效性,消除了功率环间的耦合作用,增强了VSG有功功率和无功功率的动静态响应性能。     

微网逆变器的VSG转动惯量和阻尼系数自适应控制

近年来随着微网及分布式发电的快速发展,适用于微网并离网运行的虚拟同步发电机(VSG)控制技术被提出。VSG在下垂控制的基础上进一步模拟了同步发电机的转动惯量和阻尼系数。和下垂控制相比,VSG的响应特性得到了进一步的提高,但无法同时保证频率和功率的动态调节性能。针对该问题,对VSG离网工况下的输出频率和并网工况下的输出功率进行了自适应控制。首先,做出不同转动惯量和阻尼系数下的有功环根轨迹,并结合VSG转子机械方程分析转动惯量和阻尼系数对系统的影响,通过建立转动惯量和阻尼系数的自适应函数关系来对VSG实现自适应控制。最后在MATLAB/Simulink中搭建容量为20kVA的VSG自适应控制模型,并搭建了20kVA容量的VSG实验平台,仿真和实验结果验证了所提控制策略的有效性和正确性。     

基于欠励磁状态运行的虚拟同步发电机低电压穿越控制策略

虚拟同步发电机(VSG)技术可模拟同步发电机(SG)运行特征,有助于并网系统和传统电源在电网中的协调运行。但其电压源特性增加了低电压穿越(LVRT)的运行难度,难以限制电流并提供适当无功支撑。为此,将传统SG并网无功调节原理应用于LVRT控制中,提出一种基于欠励磁状态运行的VSG的LVRT控制新方法。不改变原有VSG控制结构,对下垂特性、无功环和有功环分别进行改进设计,抑制电网故障对VSG的暂态冲击,加速励磁状态的转变过程。并在保持原有VSG特性的基础上改进附加电流环,应用新的定向方法,辅助系统欠励磁状态运行,实现故障穿越。所提方法无需切换控制算法,也无需加入状态平滑切换策略,且能同时应对LVRT和电网不对称跌落问题,简化控制策略,拓展VSG运行优势的适用范围。最后,通过仿真验证了所提方法的正确性和有效性。     

基于虚拟同步发电机的频率谐振抑制策略

虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator）技术应用于新能源并网,其惯量和阻尼特性可灵活调节,提高了电力系统可控性、安全性及稳定性。大多数对VSG系统的研究都忽略了电磁磁链的动态过程引发的同步频率谐振现象,该现象在控制参数设计不合理时会导致系统稳定性下降,针对这一问题文中提出了选择VSG最优参数的约束条件。通过分析VSG的同步频率谐振产生机理推导出VSG系统的全频段动态功角,在此基础上推算出维持VSG系统稳定的约束条件,从而引入虚拟惯量与阻尼系数的最佳比值以及虚拟阻抗,消除了同步频率谐振,提高了虚拟同步发电机的稳定性。使用 Matlab/Simulink 软件进行仿真,验证了所提的控制策略具有有效性和可行性。     

基于虚拟同步发电机控制技术的V2G系统研究

随着新能源汽车的普及,V2G(Vehicle-to-Grid)技术受到越来越多的重视。针对电动汽车并入配电网低惯性的特点,选取虚拟同步发电机控制技术(VirtualSynchronousGenerator, VSG)作为控制方案,结合同步发电机的功角曲线和转动惯量的特性,提出了一种转动惯量的自适应控制算法。利用有功转子环节功率变化量与频率变化量之间存在一阶惯性的特点,通过分析转动惯量与此一阶惯性环节时间常数之间存在的关系,设计了转动惯量的自适应控制算法。并分析了同步发电机的调差系数、阻尼系数与下垂系数之间的关系。最后在Simulink仿真平台搭建模型,验证了所提算法的有效性。     

基于VSG技术的VSC-HVDC输电系统受端换流器控制策略

针对传统换流器控制策略下柔性直流（voltage source converter based HVDC,VSC-HVDC）输电系统难以有效参与交流系统频率的动态调节以及交直流系统间功率传输不平衡等问题,在对虚拟同步发电机（virtual synchronous generator,VSG）运行机制特性进行研究的基础上,提出了一种基于VSG技术的VSC-HVDC输电系统受端换流器控制策略。首先,基于VSC-HVDC输电系统拓扑模型,分析了换流站虚拟同步化的可行性;其次,将具有有功模糊PI下垂控制的VSG技术引入到高压直流输电系统,通过调整下垂系数,使柔性直流输电系统逆变器在稳态运行及暂态故障下可以保障系统有功功率平衡传输,使其具有协调控制交流系统频率和直流系统电压的能力;最后,在Matlab/Simulink中构建了一个三端系统用于仿真验证。结果表明：VSC-HVDC输电系统在采用VSG控制策略后,可以改善交流电网的惯性水平,使频率变化得到衰减,其调压控制功能也能在稳态和暂态下提供较好的功率支撑作用,有效提高了交直流系统的稳定性和可靠性。     

基于范德波尔振荡器和PQ控制的微电网并离网协调控制策略

针对微电网中采用传统多层嵌套的并离网下垂控制系统存在动态响应速度较慢、均流性能较差等问题,提出了一种基于范德波尔虚拟振荡器控制器（VOC）和PQ控制的微电网并离网协调控制方法。在微电网并网运行时,通过对离网VOC引入并网电流反馈,并对其谐振参数和电压倍率进行闭环调节,使VOC一直处于热备用状态,不仅使微电网中各发电单元拥有PQ控制的良好动态性能,还可实现并离网的平滑切换。在微电网转孤岛运行后,同样对VOC参数进行闭环调节,实现对微电网中公共耦合点（PCC）处负载电压的补偿以及对各发电单元更好的均流控制。给出VOC参数同步控制器与PCC处电压之间的关系,理论分析实现同步的机理。与基于传统下垂控制的并离网控制策略进行仿真对比,结果表明所提控制策略可以有效改善微电网在并网运行时的动态响应和孤岛运行时的均流性能。     

Parallel inverter control using different conventional control methods and an improved virtual oscillator control method in a standalone microgrid

This paper develops a multi-timescale coordinated operation method for microgrids based on modern deep reinforcement learning. Considering the complementary characteristics of different storage devices, the proposed approach achieves multi-timescale coordination of battery and supercapacitor by introducing a hierarchical two-stage dispatch model. The first stage makes an initial decision irrespective of the uncertainties using the hourly predicted data to minimize the operational cost. For the second stage, it aims to generate corrective actions for the first-stage decisions to compensate for real-time renewable generation fluctuations. The first stage is formulated as a non-convex deterministic optimization problem, while the second stage is modeled as a Markov decision process solved by an entropy-regularized deep reinforcement learning method, i.e., the Soft Actor-Critic. The Soft Actor-Critic method can efficiently address the exploration–exploitation dilemma and suppress variations. This improves the robustness of decisions. Simulation results demonstrate that different types of energy storage devices can be used at two stages to achieve the multi-timescale coordinated operation. This proves the effectiveness of the proposed method.     

基于虚拟同步发电机控制的并网变流器同步频率谐振机理研究

虚拟同步发电机控制策略是解决高渗透率新能源并网问题的有效方案之一。然而,不同于传统同步发电机,变流器模拟的虚拟同步发电机因其快速灵活的调节能力可能引发同步频率谐振现象。通过建立精确的虚拟同步发电机动态模型,分析得到同步频率谐振现象是由电磁磁链的动态过程引入;基于此谐振在控制参数设计不合理时会带来稳定性问题,提出2种阻尼控制的策略来抑制同步频率谐振现象。最后,通过搭建8 k W实验平台,验证了虚拟同步发电机中的同步频率谐振现象及所提阻尼控制策略的有效性。