新型虚拟同步发电机技术的并网控制策略研究
发布时间：2021-01-24 19:11
为更好地将交流输出的可再生能源并网,针对传统并网逆变器的虚拟同步发电机（VSG）技术需经复杂的交-直-交变换。提出了基于VSG的矩阵变换器并网控制。首先提出了一种新型空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制策略。然后将矩阵变换器作为VSG技术的主电路,通过控制系统实现对同步发电机惯性特性、频率响应特性及调压调频特性的有效模拟。该方法为交流输出的分布式能源的功率变换提供了一种可行方案。采用预并列单元设计,使VSG输出电压的相位跟踪电网电压的相位。通过仿真和实验验证了所提策略的有效性。
【文章来源】：电力电子技术. 2020,54(08)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１输出线电压的状态空间矢量图??Ｆｉｇ．?１?Ｓｔａｔｅ?ｓｐａｃｅ?ｖｅｃｔｏｒ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｏｕｔｐｕｔ?ｌｉｎｅ?ｖｏｌｔａｇｅ??
压的谐波分??量，采取对称空间矢量调制策略。假设当前最大电??压为＾，且在第Ｉ扇区。在一个调制周期内，将上??述开关组合占空比减半，按照：－４－＞丨０—－４＾１—??１１－＋１?导通，时间顺序为：７Ｖ２—＾〇／２—７Ｖ２—７Ｖ２－＞??ｍ—ｍ。??３基于ＶＳＧ的矩阵变换器原理??传统的ＶＳＧ是在两电平逆变器为主拓扑的??情况下搭建的，而所提ＶＳＧ与传统的ＶＳＧ最大的??不同是其主电路拓扑是矩阵变换器，其控制策略??也因为主电路的变化而进行了相应的调整。三相??同步电机结构如图２所示，假设电机转子表面足??够光滑并且忽略电磁漏感。这里将定子绕组简化??为自感４和互感Ｍ的电感。流过三相定子绕组的??电流和电压分别为４，４，４和ｈ，Ｗｂ，ｗｃ。??图２同步发电机基本模型??Ｆｉｇ．?２?Ｂａｓｉｃ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ?ｇｅｎｅｒａｔｏｒ??为便于分析，进行如下定义：定子电感沴＝［屯??办ｂ令。］，定子电流４?ｉＪＴ，同步电机的端电压《＝??［ｕａ?？ｂ?ｕｅ］Ｔ，同步电机定子电势?ｅｂ?ｅＪＴ，ｉ，＝ｉ＋Ｍ。??同步电机的端电压和其定子电感、定子电流??以及其内电势存在的关系式如下：??ｕ＝－ＲＪｌ－ｄ＜ｆ＞／ｄｔ＝－Ｒｆ－Ｌ，ｄｉ／ｄｔ＋ｅ?（１１）??其二阶方程为：??ＶＭ＾－Ｒｊ．ｄ—ＬｓＡｉＪ?ｄｆ＋＼／￣２?Ｅｍ?（１２）??Ｕｑｖ＾＝－ＲＪ，ｑ—ＬｔＡｉｑｌ?ｄｉ＋０??根据电路理论知识可知，ＶＳＧ的输出有功功??率ａ和无功功率ａ可以由电势和电流向量的正??交投影得到，即：??Ｐ＝（ｅａ，ｅｂ，ｅｃ）?－（ｉ．，ｉｂ，ｉｃ）?（１３）??Ｑ＝（?ｌ／Ｖ＾）（ｅ
??传统的两电平逆变器类似的控制策略。模拟同步??发电机的运行特性，从而达到有功调频无功调压??的能力，并且由于模拟了同步发电机的惯性环节，??能够抑制电网频率的快速波动。??４预并列单元??为保证发电系统可以满足电网需求，增加预??并列单元设计，使ＶＳＧ满足电网的并列条件后进??行合闸，值得注意的是合闸后在同步的过程中存??在电网向ＶＳＧ供电的情况，因此ＶＳＧ必须允许能??量的双向流动才能满足并网的需求。这里设计的??ＶＳＧ预并列单元是使用锁相环技术实现频差控??制，如图４所示，将ＶＳＧ输出电压和电网电压的??频率差送入ＰＩ调节器，用来控制输入功率Ｐｍ，通??过ＶＳＧ算法使输出电压频率和相位跟踪电网的??频率和相位。??图４锁相环频率偏差控制单元??Ｆｉｇ．?４?Ｐｈａｓｅ－ｌｏｃｋｅｄ?ｌｏｏｐ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ｄｅｖｉａｔｉｏｎ?ｃｏｎｔｒｏｌ?ｕｎｉｔ??５仿真与实验分析??５．１?仿真验证??为了验证所提的新型矩阵变换器ＳＶＰＷＭ控??制策略以及对ＶＳＧ技术在矩阵变换器上的并网??应用的可靠性，搭建了如图３所不的Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ??仿真模型。??基于ＶＳＧ的矩阵变换器的仿真参数为：三相??交流输入电压Ｗ＝４５０?Ｖ，输出频率／。＝５０?Ｈｚ，输入??频率／＝５０Ｈｚ，负载有功部分Ｐ＝１０ｋＷ，仿真时间??ｔ＝１．８?ｓ，负载无功部分?Ｐ＝５?ｋＷ，￡＞ｐ＝１０，Ｄｑ＝０．００２，??开关频率／ｓ＝２０?ｋＨｚ，调制比ｍ＝０．８。??当ｉ＝０时，ＶＳＧ按照额定参数运行于稳定状??态，＾＝〇，＜？＃〇，电网相电压幅值ｆ／＝３１１?Ｖ；当＊＝??０．５?ｓ时，令电网相电压幅
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于虚拟同步发电机的直流微网DC-DC变换器控制策略[J]. 朱晓荣,孟凡奇,谢志云. 电力系统自动化. 2019(21)
[2]孤岛微网虚拟同步发电机控制策略研究[J]. 刘闯,王立,何国庆. 电力电子技术. 2018(11)
[3]虚拟同步发电机并网运行适应性分析及探讨[J]. 葛俊,刘辉,江浩,王晓声,孙大卫. 电力系统自动化. 2018(09)
[4]矩阵变换器直接转矩控制系统的电网故障跨越能力[J]. 郭有贵,黄松涛,王震,邓文浪,李利娟. 电工技术学报. 2017(16)
[5]孤岛微网中虚拟同步发电机不平衡电压控制[J]. 曾正,邵伟华,李辉,冉立,秦松. 中国电机工程学报. 2017(02)
[6]虚拟同步机技术在电力系统中的应用与挑战[J]. 吕志鹏,盛万兴,刘海涛,孙丽敬,吴鸣,李蕊. 中国电机工程学报. 2017(02)
[7]基于虚拟功率的虚拟同步发电机预同步方法[J]. 魏亚龙,张辉,孙凯,宋琼,郭志强. 电力系统自动化. 2016(12)
[8]虚拟同步发电机功率环的建模与参数设计[J]. 吴恒,阮新波,杨东升,陈欣然,钟庆昌,吕志鹏. 中国电机工程学报. 2015(24)
[9]基于虚拟同步发电机原理的模拟同步发电机设计方法[J]. 侍乔明,王刚,付立军,徐力,陈宇航,蒋文韬. 电网技术. 2015(03)
[10]大规模光伏发电对电力系统影响综述[J]. 丁明,王伟胜,王秀丽,宋云亭,陈得治,孙鸣. 中国电机工程学报. 2014(01)
本文编号：2997778
【文章来源】：电力电子技术. 2020,54(08)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１输出线电压的状态空间矢量图??Ｆｉｇ．?１?Ｓｔａｔｅ?ｓｐａｃｅ?ｖｅｃｔｏｒ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｏｕｔｐｕｔ?ｌｉｎｅ?ｖｏｌｔａｇｅ??
压的谐波分??量，采取对称空间矢量调制策略。假设当前最大电??压为＾，且在第Ｉ扇区。在一个调制周期内，将上??述开关组合占空比减半，按照：－４－＞丨０—－４＾１—??１１－＋１?导通，时间顺序为：７Ｖ２—＾〇／２—７Ｖ２—７Ｖ２－＞??ｍ—ｍ。??３基于ＶＳＧ的矩阵变换器原理??传统的ＶＳＧ是在两电平逆变器为主拓扑的??情况下搭建的，而所提ＶＳＧ与传统的ＶＳＧ最大的??不同是其主电路拓扑是矩阵变换器，其控制策略??也因为主电路的变化而进行了相应的调整。三相??同步电机结构如图２所示，假设电机转子表面足??够光滑并且忽略电磁漏感。这里将定子绕组简化??为自感４和互感Ｍ的电感。流过三相定子绕组的??电流和电压分别为４，４，４和ｈ，Ｗｂ，ｗｃ。??图２同步发电机基本模型??Ｆｉｇ．?２?Ｂａｓｉｃ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ?ｇｅｎｅｒａｔｏｒ??为便于分析，进行如下定义：定子电感沴＝［屯??办ｂ令。］，定子电流４?ｉＪＴ，同步电机的端电压《＝??［ｕａ?？ｂ?ｕｅ］Ｔ，同步电机定子电势?ｅｂ?ｅＪＴ，ｉ，＝ｉ＋Ｍ。??同步电机的端电压和其定子电感、定子电流??以及其内电势存在的关系式如下：??ｕ＝－ＲＪｌ－ｄ＜ｆ＞／ｄｔ＝－Ｒｆ－Ｌ，ｄｉ／ｄｔ＋ｅ?（１１）??其二阶方程为：??ＶＭ＾－Ｒｊ．ｄ—ＬｓＡｉＪ?ｄｆ＋＼／￣２?Ｅｍ?（１２）??Ｕｑｖ＾＝－ＲＪ，ｑ—ＬｔＡｉｑｌ?ｄｉ＋０??根据电路理论知识可知，ＶＳＧ的输出有功功??率ａ和无功功率ａ可以由电势和电流向量的正??交投影得到，即：??Ｐ＝（ｅａ，ｅｂ，ｅｃ）?－（ｉ．，ｉｂ，ｉｃ）?（１３）??Ｑ＝（?ｌ／Ｖ＾）（ｅ
??传统的两电平逆变器类似的控制策略。模拟同步??发电机的运行特性，从而达到有功调频无功调压??的能力，并且由于模拟了同步发电机的惯性环节，??能够抑制电网频率的快速波动。??４预并列单元??为保证发电系统可以满足电网需求，增加预??并列单元设计，使ＶＳＧ满足电网的并列条件后进??行合闸，值得注意的是合闸后在同步的过程中存??在电网向ＶＳＧ供电的情况，因此ＶＳＧ必须允许能??量的双向流动才能满足并网的需求。这里设计的??ＶＳＧ预并列单元是使用锁相环技术实现频差控??制，如图４所示，将ＶＳＧ输出电压和电网电压的??频率差送入ＰＩ调节器，用来控制输入功率Ｐｍ，通??过ＶＳＧ算法使输出电压频率和相位跟踪电网的??频率和相位。??图４锁相环频率偏差控制单元??Ｆｉｇ．?４?Ｐｈａｓｅ－ｌｏｃｋｅｄ?ｌｏｏｐ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ｄｅｖｉａｔｉｏｎ?ｃｏｎｔｒｏｌ?ｕｎｉｔ??５仿真与实验分析??５．１?仿真验证??为了验证所提的新型矩阵变换器ＳＶＰＷＭ控??制策略以及对ＶＳＧ技术在矩阵变换器上的并网??应用的可靠性，搭建了如图３所不的Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ??仿真模型。??基于ＶＳＧ的矩阵变换器的仿真参数为：三相??交流输入电压Ｗ＝４５０?Ｖ，输出频率／。＝５０?Ｈｚ，输入??频率／＝５０Ｈｚ，负载有功部分Ｐ＝１０ｋＷ，仿真时间??ｔ＝１．８?ｓ，负载无功部分?Ｐ＝５?ｋＷ，￡＞ｐ＝１０，Ｄｑ＝０．００２，??开关频率／ｓ＝２０?ｋＨｚ，调制比ｍ＝０．８。??当ｉ＝０时，ＶＳＧ按照额定参数运行于稳定状??态，＾＝〇，＜？＃〇，电网相电压幅值ｆ／＝３１１?Ｖ；当＊＝??０．５?ｓ时，令电网相电压幅
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于虚拟同步发电机的直流微网DC-DC变换器控制策略[J]. 朱晓荣,孟凡奇,谢志云. 电力系统自动化. 2019(21)
[2]孤岛微网虚拟同步发电机控制策略研究[J]. 刘闯,王立,何国庆. 电力电子技术. 2018(11)
[3]虚拟同步发电机并网运行适应性分析及探讨[J]. 葛俊,刘辉,江浩,王晓声,孙大卫. 电力系统自动化. 2018(09)
[4]矩阵变换器直接转矩控制系统的电网故障跨越能力[J]. 郭有贵,黄松涛,王震,邓文浪,李利娟. 电工技术学报. 2017(16)
[5]孤岛微网中虚拟同步发电机不平衡电压控制[J]. 曾正,邵伟华,李辉,冉立,秦松. 中国电机工程学报. 2017(02)
[6]虚拟同步机技术在电力系统中的应用与挑战[J]. 吕志鹏,盛万兴,刘海涛,孙丽敬,吴鸣,李蕊. 中国电机工程学报. 2017(02)
[7]基于虚拟功率的虚拟同步发电机预同步方法[J]. 魏亚龙,张辉,孙凯,宋琼,郭志强. 电力系统自动化. 2016(12)
[8]虚拟同步发电机功率环的建模与参数设计[J]. 吴恒,阮新波,杨东升,陈欣然,钟庆昌,吕志鹏. 中国电机工程学报. 2015(24)
[9]基于虚拟同步发电机原理的模拟同步发电机设计方法[J]. 侍乔明,王刚,付立军,徐力,陈宇航,蒋文韬. 电网技术. 2015(03)
[10]大规模光伏发电对电力系统影响综述[J]. 丁明,王伟胜,王秀丽,宋云亭,陈得治,孙鸣. 中国电机工程学报. 2014(01)
本文编号：2997778
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