低惯量虚拟同步发电机控制策略与稳定性研究

发布时间：2020-03-29 22:47

【摘要】：近年来,分布式电源在电网中的渗透率不断提高,由于其并网接口的电力电子设备缺乏惯量和阻尼,给电力系统的安全稳定运行带来了潜在威胁。虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)模拟了传统同步发电机的转子运动方程,为系统引入了虚拟惯量和阻尼,同时又能够参与电网电压和频率调节,对提高分布式电源并网稳定性具有十分重要的意义。结合新能源发电系统惯性小、响应速度快的特点,本文主要研究一种低惯量下的虚拟同步发电机控制策略,并在此基础上提出了一种微网逆变器均衡控制策略及参数设计方法,接着对低惯量虚拟同步发电机控制系统进行了小信号建模及稳定性对比分析。本文研究的主要内容如下:1、阐述了低惯量虚拟同步发电机控制策略的基本原理,进而提出了一种基于低惯量VSG的微网逆变器均衡控制方法:通过逆变器频率与电网频率的组合反馈控制实现了下垂系数与阻尼系数的独立调节;通过电网频率逻辑判断环节来切换功率外环从而有效抑制了频率发生大扰动时的过流情况;通过电感电流与电容电流的加权控制均衡了微网逆变器输出电压动态响应和孤岛并联均流特性之间的矛盾。根据该均衡控制策略,提出了一种低惯量虚拟同步发电机参数设计方法。所搭建的MATLAB/Simulink仿真模型验证了所提控制策略和参数设计方法的可行性与有效性。2、采用模块化的建模方法建立了低惯量虚拟同步发电机孤岛运行时的高阶小信号模型,使得子模型之间相互独立且易于修改、拓展。同时,通过特征根、特征向量、特征根灵敏度及参与因子分析了小扰动下的系统稳定性,并利用特征根轨迹探究了功率环控制器参数对系统稳定性和动态性能的影响,为低虚拟惯量的优化设计提供了理论依据。3、为分析比较单电压环和电压电流双环两种内环控制器的性能,分别建立了基于上述两种内环控制器的低惯量虚拟同步发电机单机和双机系统小信号模型,基于这些模型,给出了由单机到双机的系统特征根变化规律及控制器参数稳定调节范围。双机时控制器各参数的可调节范围与单机时相比显著缩小,尤其是单电压环的电压比例系数、电压电流双环的电流积分系数,双机时其可调节范围很小。另外,双环控制中以电感电流为反馈的电流环能够增大系统阻尼,对系统振荡起到明显的抑制作用。最后,仿真结果证明了小信号模型及稳定性分析的正确性。4、基于小功率实验平台完成了低惯量虚拟同步发电机控制的简单实验验证。
【图文】：

仿真模型,电网频率

利用式(2.27)可以求得1 2D D=-1 36313.58。由此可见阻尼系数正负可调，从而给系统增加了一个自由度，同时满足动态响应和稳定性的要求，又不影响稳态时的功率分配。系统其它参数如表 2.1 所示。表 2.1 500kW-VSG 的主要参数Tab. 2.1 Main parameters of the 500KW-VSG prototype参数数值参数数值额定线电压(V) 315 功角下垂系数 m (rad/kW) 0.0063直流侧电压(V) 650 无功下垂系数 n(V/kVar) 0.0126桥臂电感 L1(mH) 0.05电压比例系数 Kpu 2滤波电容 C(μF) 100电压积分系数 Kiu 200谐振频率(Hz) 2250电流比例系数 Kii 0.2采样频率 fs(kHz)500电网频率低阈值 ωg1(rad/s)311.02开关频率 fsw(kHz)3电网频率高返回值ωg2(rad/s)317.30隔离变压器(V) 315/25000 有功功率标幺值 2.90×107

拟合曲线,实际模拟,数字量,拟合曲线

图 5.5 DSP 中实际模拟量与数字量的拟合曲线g 5.5 Fitting curve of actual analog and digital values in D以及图 5.5 便可以对交流 A 相电压进行校准，，同流电压，交流电流的校准也依此完成。实现过流保护，本系统设计了硬件过流保护电图如图 5.6 所示。类似于电流采样电路，首先将电阻 R1 转换为电压信号，之后考虑到交流电流电压比较器构成两个电压阈值上限，与电流采样的电压值在阈值内，则输出高电平给 DSP；若对电平给 DSP。具体电流保护范围如式(5.4)所示ACR4R3R2VC
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM341

【参考文献】