分布式发电系统一次调节与惯量控制关键技术研究

发布时间：2020-05-27 15:36

【摘要】：随着可再生能源在电网能源构成中所占比例的不断增加,电力系统正在逐步由集中式发电向分布式发电转变,大量的分布式电源通过电力电子变流装置接入电网,由于其缺乏传统同步发电机具有的转动惯量和系统阻尼,给电力系统安全稳定运行带来了巨大的挑战。虚拟同步机技术使得分布式电源或可控负荷在模拟同步发电机转动惯量的同时还具备了参与系统一次调频、调压的能力,从而实现对系统稳定运行的自主维护,对解决分布式发电系统的频率、电压稳定问题具有重要意义。本文依托国家高技术研究发展计划“863计划”项目“新型太阳电池、组件和系统部件技术”的课题“光伏微电网核心设备与控制系统研制及示范应用”(2015AA050603)和河北省自然科学基金项目“微网系统自同步电压源逆变器并联技术研究”(E2015502046),以分布式发电系统一次调节和惯量控制为核心问题开展研究,重点研究了计及源端动态特性的虚拟同步机控制策略,不同控制形式的分布式电源同步调节特性及其惯量匹配原则,然后建立了虚拟同步机多机并列系统的高精度小信号模型并进行了虚拟同步机核心控制参数的稳定性分析,最后搭建了基于dSPACE实时仿真系统的虚拟同步机半实物实验平台对相关控制方法进行了实验验证。本文主要研究内容和成果如下:(1)分析了可再生能源高渗透率的分布式发电系统面临的稳定性问题,以及系统一次调节和惯性支撑能力对系统频率和电压稳定运行的影响,对虚拟同步机基本思想、技术沿革、典型应用、发展方向等方面进行了梳理归纳,总结了虚拟同步机目前仍需深入研究的关键问题以及未来相关技术发展趋势。(2)提出了光伏运行工作点跟踪方向可变的变功率点跟踪控制方法,并阐述了该方法的具体实施过程,该方法在光伏阵列输出功率不足时能够保持MPPT的控制特性以实现对系统的最大功率支撑,而在光伏阵列输出功率过剩时能够自适应调节光伏输出以维持系统功率稳定;进而提出了基于变功率点跟踪控制的光伏虚拟同步机控制策略,该策略考虑了虚拟同步机源端分布式能源随机性和波动性对虚拟同步机输出特性的影响,克服了基于传统MPPT控制的虚拟同步机在光伏输出功率过剩时容易造成系统功率失衡、直流母线电压崩溃的技术缺陷。(3)建立了传统下垂控制DG逆变器与虚拟同步机相统一的数学模型,分别实现了下垂控制方程与转子运动方程、下垂控制系数与惯性时间常数在物理意义上的统一;研究了分布式发电系统在遭受负荷扰动或源端出力扰动后系统频率和功率动态调节过程的物理本质,指出了系统受到小干扰后维持稳定运行本质上取决于转子角加速度和转子相对角速度是否同时为零;提出了两台SG并联系统、两台VSG并联系统、下垂控制DG逆变器与VSG并联系统三种典型分布式电源并联结构的扰动功率分配规律和相应的核心控制参数配置原则;针对分布式电源多机并列系统频率和功率暂态同步性和一致性问题,提出了分布式发电系统多机并列运行惯量匹配方法。(4)提出了包含控制系统中所有中间控制环节状态变量的VSG单机以及VSG多机并列系统的小信号精确模型建立方法,该模型以基于虚拟阻抗和电压电流双闭环控制的VSG控制策略为对象,实现了对主电路参数、下垂控制参数、虚拟惯量参数、双闭环PI调节器参数、线路阻抗参数、虚拟阻抗参数等VSG核心参数进行准确的系统特征根轨迹分析及灵敏度分析,为VSG单机及VSG多机并列系统稳定性分析奠定理论基础,同时为VSG相关参数优化设计提供基本设计原则和稳定性判据。(5)在实验室环境下搭建了基于dSPACE实时仿真系统的VSG半实物实验平台,分别针对VSG单机独立运行和VSG双机并联两种工况,在不同特性负荷扰动、并离网切换情况下实验分析了虚拟同步机一次调频、一次调压、转动惯量、功率解耦、负荷功率分配等特性,验证了本文提出的分析方法和控制策略的正确性。
【图文】：

虚拟同步,技术

侧）和虚拟同步电动机（负荷侧）两种形式。逡逑虚拟同步机（Ｖｉｒｔｕａｌ邋Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ邋Ｍａｃｈｉｎｅ，邋ＶＳＭ）技术是一种电力电子变逡逑流器的特殊控制技术，如图１－２所示，该控制技术以传统同步电机的机电暂态逡逑—兔R憽掊义夏茉村危咤义系缤义系刃В蝚拟Ｉ逦贯＂￥、—逡逑？逦人善ｆ邋Ｊ逡逑｜原动机｜同步发电机逡逑图１－２虚拟同步机技术逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｖｉｒｔｕａｌ邋ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ邋ｍａｃｈｉｎｅ邋ａｌｇｏｒｉｔｈｍ逡逑６逡逑

虚拟同步,发展沿革,相关技术

１．２虚拟同步机研究现状逡逑１．２．１虚拟同步机发展沿革逡逑虚拟同步机相关技术发展沿革如图１－３所示。１９９７年，电气和电子工程师逡逑协会（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ邋ｏｆ邋Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ邋ａｎｄ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ邋Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，邋ＩＥＥＥ）邋“柔性交流输电系逡逑统”（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ邋ＡＣ邋Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋Ｓｙｓｔｅｍｓ，，邋ＦＡＣＴＳ邋）工作组定义了邋一邋系列关于逡逑ＦＡＣＴＳ的术语，其中首次使用了邋“静止式同步发电机”（Ｓｔａｔｉｃ邋Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ逡逑Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，邋ＳＳＧ）的概念［３６１，定义ＳＳＧ为输出电压可调的功率变流器，其可以逡逑为交流电力系统提供独立可控的有功功率和无功功率。但是ＳＳＧ多以电流源形逡逑式接入电网，以实现可再生能源的最大利用率［３７１，因此单纯ＳＳＧ不具备一次调逡逑“ＶＳＧ”方案改进“ＶｉＳＭＡ”方案逡逑侉汉大学逦ＣｈｅｎＹｏｎｇ教授逡逑—ＢＢ—｜？电流源型邋ｖｓｇ逡逑ＳＳＧ概念邋“Ｖ１ＳＭＡ”方案逡逑ＩＥＥＥ邋Ｔａｓｋ邋Ｆｏｒｃｅ克劳
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM61

【参考文献】