虚拟同步控制的暂态特性优化策略研究

虚拟同步控制策略具有降低功率暂态响应最大频率偏差的优势。但在指令功率或电网频率出现扰动时,虚拟惯量的引入会造成较大的暂态功率振荡和超调。与真实的同步发电机不同,虚拟同步控制策略可以灵活地改变控制结构及其相关参数以改善系统的暂态性能。该文提出2种基于电网频率参与虚拟惯量功率控制的改进虚拟惯量策略:电网频率估计策略和电网频率前馈策略。并根据响应特性能给出详细的参数设计方法。此外,对比研究2种策略在功率指令扰动和电网频率扰动工况下的暂态功率和频率的响应特性。仿真与实验结果表明,与传统方法相比,2种改进策略均能提高虚拟同步的暂态性能。     

互联异步电网VSC-HVDC的惯量与阻尼模拟控制策略

针对背靠背柔性直流输电系统(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC),提出一种惯量与阻尼模拟控制(inertiaanddampingemulationcontrol,IDEC)策略。在IDEC策略下,功率调节换流站(powerregulatingVSC,PR-VSC)通过改变其有功功率参考值来模拟同步发电机动态特性,而直流电压调节换流站(DCvoltage-regulating VSC,DR-VSC)则采用直流电压/频率下垂控制将该侧电网的频率无通信传输至PR-VSC,进而实现模拟惯量和阻尼所需的功率变化。为避免PR-VSCIDEC和DR-VSC IDEC控制器在两侧异步电网同时发生频率扰动时发生冲突,IDEC控制又嵌入了一种新型支撑模式选择算法,通过频率变化率的比较,有效地对IDEC支持模式进行优先级排序。文中通过小信号稳定性分析,优化IDEC控制器关键参数;通过控制器硬件在环实验,验证所提出的IDEC方案的有效性。结果表明,所提出的IDEC策略通过以惯量和阻尼模拟的形式增加异步交流系统的...     

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。     

基于相对增益矩阵的惯量响应空间耦合特征分析

随着风电、光伏等新能源占比的不断提高,电力系统的惯性逐步降低,受扰动后惯量响应引起的频率变化率增大,给频率安全稳定带来了威胁。受电网拓扑结构的影响,惯量响应的频率变化情况与功率扰动位置之间存在空间上的耦合特征。针对惯量响应在空间上的差异性,通过计算多机系统惯量响应模型的相对增益矩阵,量化了发电机惯量响应与有功功率扰动之间在空间上的耦合关系。仿真结果表明,相对增益能直观地表征不同位置和类型的功率扰动对发电机惯量响应的影响,对功率事故下低惯量系统的频率安全稳定分析与控制具有重要意义。     

基于相对增益矩阵的惯量响应空间耦合特征分析

随着风电、光伏等新能源占比的不断提高,电力系统的惯性逐步降低,受扰动后惯量响应引起的频率变化率增大,给频率安全稳定带来了威胁。受电网拓扑结构的影响,惯量响应的频率变化情况与功率扰动位置之间存在空间上的耦合特征。针对惯量响应在空间上的差异性,通过计算多机系统惯量响应模型的相对增益矩阵,量化了发电机惯量响应与有功功率扰动之间在空间上的耦合关系。仿真结果表明,相对增益能直观地表征不同位置和类型的功率扰动对发电机惯量响应的影响,对功率事故下低惯量系统的频率安全稳定分析与控制具有重要意义。     

虚拟同步发电机技术在风力发电系统中的应用与展望

随着风电并网容量的不断提升,大量通过电力电子装置并网的风力发电机组使得现有电力系统的转动惯量缺失,造成系统频率稳定性下降等问题愈加严重。虚拟同步发电机技术可通过模拟传统同步发电机的运行特性,提高风机的并网等效惯量和阻尼系数及电网的风能渗透率。首先,论述了近年来虚拟同步发电机技术在风力发电系统中的研究进展,探讨了风能最大功率点跟踪(MPPT)与频率支撑的协调控制,并揭示了实际转子与虚拟同步转子的能量平衡关系。然后,分析了系统参数设计及其对稳定性的影响,并以主流的全功率型风机和双馈型风机为例,介绍了具体控制方法及其未来在大规模风电场聚合等值研究中的应用前景。最后,总结了当前存在的关键技术问题及可行的解决思路。     

用于弱电网互联的柔性直流输电系统双端构网型控制

针对常规跟网型控制下柔性直流输电系统不具备电网频率支撑能力、弱电网运行能力差的问题,提出了一种柔性直流输电系统的双端构网型控制策略。利用直流电容的动力学特性,将柔性直流输电系统模拟为同步电动机-连轴-同步发电机运行,使其具备良好的弱电网运行能力与电网主动支撑能力。在此基础上,设计了柔性直流输电系统的电网故障穿越策略。在PSCAD/EMTDC软件中进行仿真验证,结果表明所提柔性直流输电系统的双端构网型控制策略具备弱电网适应能力、快速潮流调节能力、电网频率主动支撑能力以及电网故障穿越能力。     

基于改进下垂控制策略的有功备用式光伏系统

随着电网光伏渗透率逐渐提高,迫切需要光伏发电系统主动参与电网频率调节,然而目前光伏发电系统多以最大功率跟踪方式并网,不具备有功调频能力.针对上述问题,提出一种基于变步长功率跟踪的有功备用式光伏发电系统,利用变步长功率跟踪使系统运行在有功备用模式,当电网频率扰动时通过修正直流侧电容电压调节光伏阵列的有功输出来参与一次调频.网侧逆变器采用改进下垂控制策略,通过引入角频率的微分负反馈虚拟惯量控制和直流侧电容储能特性模拟转子惯量环节弥补故障初期一次调频出力不足的问题,减小频率的跌落深度.通过仿真分析验证了所提控制策略无论在故障初期的动态作用还是一次调频过程中都可以提供更多的功率支撑,可以一定程度上替代同步发电机调频效果.     

基于模糊控制的自适应虚拟同步发电机控制策略

为了解决分布式能源与电力系统兼容的问题,采用虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)技术,将同步发电机的虚拟惯量和阻尼系数引入逆变器控制,以提高系统的频率响应特性和电网应对扰动能力。在此基础上,提出一种基于模糊算法的自适应VSG虚拟惯量和阻尼系数控制策略。根据同步发电机角频率变化率和角频率偏差的变化规律,重新设计模糊规则调节虚拟惯量和阻尼系数,以提高VSG的控制效果。仿真结果表明,该策略能够合理地抑制瞬态过程中VSG频率和功率的波动,维持电网的稳定运行。     

风机惯量支撑对电网频率跌落特性的影响

大型同步电网中新能源渗透率日益增长，不具备惯量响应能力的新能源机组可能会削弱系统的惯性。针对这一问题，学者们提出了多种风机惯量支撑方式，并在IEEE标准算例系统中验证了风机惯量支撑的效果，但关于风机惯量支撑对同步大电网频率暂态稳定性影响的研究较少。为此，首先从故障时间梳理、典型算例仿真和数学模型分析三个角度出发，分析了新能源渗透率提升后同步大电网发生功率缺额事件的频率跌落特性。然后以此为基础，研究了风机惯量支撑对大电网频率跌落特性的影响。最后分析了风机同时进行惯量和一次调频支撑时，惯量响应对一次调频发挥功率支撑作用的影响。研究结果表明：不同的风机惯量支撑方式对系统频率跌落特性的影响差别较大，某些惯量支撑方式可能会加剧大电网频率跌落的幅度。     

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。     

永磁同步风电机组的主动支撑控制及其在弱电网下的适应性分析

为了提升风电机组在弱电网下电压与频率支撑能力,介绍了一种适用于永磁同步发电机（PMSG）的主动支撑控制策略。该控制策略将永磁同步发电机网侧变流器等效成1个电压源型的虚拟同步发电机（VSG）,不仅使PMSG直接与电网同步,而且在电力系统功率发生波动时可通过利用风机的转子动能为系统提供惯量支撑。详细分析了弱电网下主动支撑控制的小信号模型,并基于PSCAD/EMTDC仿真验证了所提控制策略的有效性和在弱电网下的适应性。     

LCC/VSC混联系统多区域间惯性支撑协调控制策略与仿真

渝鄂背靠背柔直系统投运后实现了西南和华中异步联网,并形成了包括西南、华东、华中三峡机群、渝鄂、龙政、林枫等接入多类型直流的交直流混联系统.针对此种典型结构下交/直流故障后系统稳定需求,考虑充分发挥电压源换流器(voltage source converter,VSC)和电流源换流器(line commutation c...     

基于虚拟同步机的并网逆变器不平衡电压灵活补偿策略

电力电子设备大量地接入电网,给电网带来了系统惯量和阻尼降低等问题。为了提高不平衡电网频率稳定性和改善电网电压的电能质量,提出了基于虚拟同步机的不平衡电压灵活补偿控制策略。通过采用虚拟同步控制,在电网频率波动时提供有功功率支撑,提高电网频率稳定性。通过采用负序电压前馈补偿,抑制公共连接点不平衡电压,改善电能质量。通过建立不平衡电网下的虚拟同步机模型,提出采用电压前馈的不平衡电压抑制策略。进而,分析了采用电压前馈补偿策略的控制性能,研究不平衡电压补偿系数的设定方法。提出的控制方法可根据电网电压不平衡度的控制目标和设备剩余容量自动地调整不平衡电压补偿系数,实现不平衡度灵活调节。最后,通过仿真结果验证所提控制策略的正确性和有效性。     

基于自适应虚拟惯性的微电网动态频率稳定控制策略

微电网作为分布式电源的有效载体,通过分布式电源并联连接形成独立电网。而微电网中传统下垂控制的输出频率动态响应速度快,在负荷频繁波动下易受到较大扰动。为了提高微电网频率的动态稳定性,文中提出了一种基于自适应虚拟惯性的同步发电机的控制策略,该方法模拟同步发电机的行为,构造频率变化率与虚拟惯性的关系,自适应改变虚拟同步发电机控制的惯性,从而提高微电网系统抗干扰能力和过载能力。相比于传统的交替惯性方法,所构造的自适应惯性算法不需要采样频率微分项,避免了引入系统噪声,同时实现了惯量的平滑灵活调节,具有较强的鲁棒性。另外,利用李雅普诺夫稳定理论分析了所提算法的收敛性和稳定性。仿真和实验结果表明所提方法提升了微电网频率的动态稳定性,从而验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

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。     

基于风机调频特性的储能配置方法及协调运行策略

针对大规模风电机组(wind turbine,WT)接入电网,导致电网惯量响应能力和调频备用容量不足,进而造成电网频率稳定性下降的问题,文章提出一种风储系统与等容量同步发电机等惯量响应能力的储能(energy storage,ES)配置方法。方法旨在实现WT取代同步发电机接入电网前后,电网惯量响应能力和调频能力不变。并在此基础上,根据WT在不同风速下,具有不同的调频能力这一特性,文章进一步提出了风储协调控制策略,该策略既能在低风速下提供惯量响应支持,又能在中风速下辅助WT转速恢复,避免频率二次跌落。仿真结果表明,仅配置风电场额定功率5%的容量,既可补偿电网惯量响应能力,又能满足WT转速恢复所需功率,大大提升了电网频率运行稳定性。     

二级式光伏并网发电系统的协调控制及惯量特性分析

针对二级式光伏发电系统低惯量的问题,根据光伏-Boost和逆变器两侧分别响应频率波动的特点,提出了一种适用于二级式光伏发电系统的惯量协调控制策略,通过建立系统的静止同步发电机SSG模型分析不同参数对系统惯量的影响。光伏侧采用下垂控制响应电网频率波动时,频率下跌的最低点或上升的最高点得到改善,且电网频率的稳态偏差变小;逆变器侧采用直流电压下垂响应电网频率波动时,电网频率变化率变小;协调控制时,合理利用了光伏侧及逆变器侧响应的优势,抑制频率波动的效果最佳。仿真结果证明了所提控制策略的有效性。