基于虚拟同步机的集中式储能变流器研制

虚拟同步机(VSG)技术是通过模拟同步发电机运行机理、有功调频及无功调压等特性,使电力电子变流器具有同步机组的运行外特性,在清洁能源并网对电网稳定性及自身适应性起到有益作用。基于此,在分析分散式与集中式VSG优缺点基础上,针对VSG算法、储能变流器多机并联谐振抑制、电池组荷电状态(SOC)均衡控制等关键技术进行研究,研制了一套5 MW集中式储能变流器系统,相关功能通过仿真及试验验证。     

基于VSG的永磁直驱风电机组惯量支撑控制策略

风电并网容量比重不断加大,减弱了系统的调频能力与惯量支撑能力,电网失稳日益严重。针对这些问题提出了基于虚拟同步机（VSG）的永磁直驱风电机组的控制方案。模仿同步机的功频控制特点,使系统具有惯量响应能力。风电机组经PWM变流器并网,在机侧变流器利用直流电压外环和电流内环控制,维持直流母线电压稳定,VSG从网侧变流器接入,通过设计有功频率和无功电压控制方案,对系统进行调频、调压。使用Matlab软件搭建模型,调整仿真参数,仿真结果表明,该控制方案使系统可以模拟同步发电机的惯量响应特性,能够有效地解决由于风速或者电网负荷改变引起的频率震荡问题。     

双馈异步型风机的虚拟同步控制策略

首先,针对DFIG型风机的转子侧变流器,提出基于转子励磁磁链定向的虚拟同步发电机(VSG)控制.同时,针对DFIG型风机的网侧变流器虚拟同步电动机(VSM)控制,从而使得DFIG型风机的并网接口特性可等效为一台传统同步发电机,在稳态时维持传统风机最大功率跟踪特性,在动态过程中还能向电网提供有效功率支撑,最终实现DFIG风机并网系统的VSG功能.然后,进一步将基于虚拟功率计算的风电机组同期控制应用于DFIG机组,实现DFIG型风机的孤岛/并网过程的无缝切换.最后,通过DFIG型风机并网系统仿真对提出的控制策略的有效性和可行性进行了验证.     

不平衡电压下VSG无锁相环并网及运行控制策略

针对并网逆变器在不平衡电压下电流畸变严重和锁相环节复杂等问题,文中设计了一种基于改进虚拟同步机(VSG)的逆变器无锁相环控制策略。重点研究了VSG在不平衡电网电压下的运行控制方法,设计了一种基于比例积分谐振(PIR)控制器的改进VSG控制策略,在不改变VSG外特性的基础上有效抑制了逆变器输出电流的不平衡分量。同时,提出一种基于虚拟功率的VSG预同步控制策略,保证VSG孤岛转并网模式的无缝切换。整个控制过程不依赖锁相环,避免了锁相环对系统控制精度以及响应速度的影响,降低了控制系统的复杂度。最后,基于RT-LAB的实时仿真平台对所提控制策略进行了验证。     

弱电网下负序控制对变流器并网系统稳定性影响分析

变流器并网运行时,因实现负序控制目标带来的变流器控制结构改变可能会存在恶化系统小干扰稳定性问题,该问题在弱电网背景下更加突出。首先介绍了不平衡电网下基于比例积分-准谐振(proportional-integrational quasi-resonant,PIR)控制的负序控制策略,然后建立平衡电网下考虑负序控制策略的变流器并网系统幅相阻抗模型和原-对偶复电路。其次,通过分析因负序控制带来的变流器侧幅相阻抗模型中导纳元素阻抗特性的变化,判断负序控制对系统稳定性的影响,进一步基于广义阻抗判据分析了负序控制如何影响系统稳定。研究结果表明弱电网下负序控制可能会使变流器并网系统存在次同步和100 Hz左右的振荡失稳风险。最后,通过仿真验证了理论分析结果的有效性。     

基于改进型LADRC的SAPF双闭环控制策略研究

为提高并联型有源电力滤波器(SAPF)的动态跟踪速度和抗扰动能力,提出一种基于误差控制原理的改进型线性自抗扰控制器(LADRC).该改进型LADRC将各状态变量与其观测值之间的误差作为线性扩张状态观测器(LESO)中各状态变量的调节依据.利用频域分析法对改进型LADRC进行了抗扰特性分析,且在系统稳定的前提下,将该控制器应用于SAPF的电流内环和电压外环双闭环控制.最后,通过仿真对比分析改进型LADRC和传统LADRC控制下网侧电流和PWM变流器直流侧电压波形,结果验证了该改进型LADRC的正确性和可行性.     

基于线性自抗扰技术的SMES储能变流器控制策略

储能系统作为微电网中不可或缺的重要组成部分,对保证微电网的稳定运行和提高微电网电能质量具有重要作用。提出一种基于线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)的超导磁储能系统(superconducting magnetic storage system,SMES)储能变流器控制策略,利用LADRC能够估计并补偿系统扰动,可有效改善储能系统输出电能质量和提高系统鲁棒性。通过对LADRC和比例积分(proportional integral,PI)控制系统进行频率响应特性分析可知,一阶LADRC的反馈补偿器可以等效为一个PI控制器串联一个一阶低通滤波器,能有效抑制系统高频噪声;同时使用根轨迹法分析了LADRC控制系统的稳定性和鲁棒性。MATLAB仿真结果表明,基于LADRC的SMES储能变流器控制策略具有响应速度快、控制精度高、抗扰能力强等优点,其控制效果和鲁棒性均优于传统PI控制器。     

结合有源阻尼的风电变流器改进线性自抗扰控制

为提高风电变流器网侧的稳定性,解决负载波动时变流器并网接口的谐波和谐振问题。提出了一种改进的有源阻尼线性自抗扰控制(ADLADRC)策略。首先建立LCL型变流器数学模型,分析传统三阶自抗扰控制器原理。在此基础上,为提高传统观测器的观测能力,设计了在观测器总扰动通道上串联滤波器的改进自抗扰控制,并引入有源阻尼与其结合完成改进ADLADRC控制策略设计。然后通过频域分析法对改进ADLADRC下变流器系统进行频率特性分析可知,改进ADLADRC控制具有更好的并网稳定性和谐波谐振抑制力。最后,通过仿真对比所提控制策略与传统LADRC、传统PI控制下的并网点电流波形。仿真结果显示稳态条件改进ADLADRC满载谐波率相比PI的2.89%降为0.39%和半载谐波率相比PI的7.64%降为0.60%,表明所提控制策略不仅有更好的并网稳定性,还有在负载波动时快速的动态响应和谐波抑制力。     

考虑不平衡电网电压的虚拟同步发电机平衡电流控制方法

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)可实现分布式电源友好并网。然而,电网电压不平衡时,传统VSG控制会导致三相并网电流不平衡,为此提出一种VSG平衡电流控制方法。首先分析了VSG在电网电压不平衡情况下存在的问题及其与传统逆变器控制的区别;在此基础上,利用VSG在dq坐标系下的特点设计电流指令计算方法,使VSG在各种类型的不平衡电压下实现负序电流抑制。该方法计算逻辑简单,且能够实现不同工况下的自适应控制。仿真和实验结果表明了所提控制方法的正确性和有效性。     

基于有功分数阶微分校正的储能VSG并网有功响应策略

为了解决在有功功率指令、电网频率2种扰动情况下储能虚拟同步机(VSG)并网有功难以兼顾良好的动态特性和稳态性能的问题,提出了一种基于有功分数阶微分校正的VSG(AFDC-VSG)并网有功响应优化控制策略。分别建立典型VSG、AFDC-VSG这2种控制策略的并网有功闭环小信号模型,并给出相应的参数设计过程。利用MATLAB/Simulink仿真软件对比分析不同控制策略在2种扰动下储能VSG的并网有功响应特性,并建立储能VSG并网系统的实验平台。仿真和实验结果共同验证了所提AFDC-VSG策略在优化储能VSG并网有功响应性能方面的有效性与优越性。     

具备VSG特征并网变流器的预同步及主动孤岛判别方法研究

针对具备VSG特征的并网变流器,研究其预同步及主动孤岛判别方法,提出一种基于逐步追踪思想的预同步控制和基于电网电压自扰动的主动孤岛判别方法;预同步控制按照一定步长调节变流器侧输出电压的幅值和相位,进而追踪逼近电网侧电压幅值和相位,当差值在很小范围内时,合闸实现离网到并网的"零"冲击;主动孤岛判别是将电网侧电压幅值以微小步长进行负扰动,扰动后的值作为变流器输出侧电压幅值的参考给定,若电网连接,则扰动基本无影响,若电网断开,因扰动使得电压持续减小,最终判别出孤岛现象。通过MATLAB仿真分析,验证了所提方法的有效性和可行性。     

基于滤波函数的风电并网逆变器改进线性自抗扰控制

针对风电系统中并网逆变器直流母线电压量测环节易受噪声污染等问题,文中将线性自抗扰控制与滤波器相结合,构造一种基于滤波函数的改进型线性自抗扰控制技术。首先构造了风电并网逆变器数学模型,并对传统线性自抗扰控制进行分析。为了提高线性自抗扰控制对高频噪声的抑制力,文中将滤波后的电压扩张成一个新的状态变量,利用线性扩张状态观测器估计滤波之后的电压值,并将其作为反馈。然后在考虑系统输出含有噪声的前提下,对改进型线性自抗扰控制进行频域特性分析,结果表明改进的控制策略具有更好的抑制噪声能力。最后通过风电系统并网逆变器仿真平台的搭建,验证了控制策略的可行性和有效性。     

基于降阶线性扩张状态观测器的风电并网逆变器线性自抗扰控制*

针对风电并网逆变器直流母线电压易受电网电压波动和负载扰动影响的问题,文中提出了一种电压外环改进型线性自抗扰控制(LADRC)。首先建立了风电并网逆变器在d-q旋转坐标系下的数学模型,在此基础上,设计了基于降阶线性扩张状态观测器的线性自抗扰控制,减小了观测器的相位滞后,提高了系统的扰动观测精度;然后在观测器总扰动通道上增加了一个超前滞后的校正环节以减弱观测器的噪声放大效应;最后对改进型LADRC控制策略进行了频域特性分析。仿真结果表明,相比于传统LADRC控制策略,文中所提的控制策略对并网逆变器直流母线电压具有更好的控制效果。     

采用VSG策略的MMC阻抗建模及并网稳定性分析

随着分布式能源并网的增多,局部电网逐渐呈现出弱电网特性,虚拟同步发电机（VSG）控制由于可以模拟同步发电机的特性,能够为弱电网提供惯性和阻尼支撑。本文采用谐波线性化方法对采用VSG控制策略的模块化多电平换流器(MMC)进行阻抗建模。所得到的阻抗模型在低频段主要呈容性,在高频段主要呈感性,在复杂电力系统中,可能会与电网阻抗存在谐振点。分析了VSG主要控制参数对MMC阻抗的影响,发现有功-频率下垂系数、阻尼系数和虚拟转动惯量主要影响50Hz附近的阻抗。根据阻抗稳定性判据对MMC并网系统进行稳定性分析,发现并网系统在高频段有振荡的风险。     

基于自适应虚拟阻抗的虚拟同步机功率解耦控制策略

伴随着分布式能源渗透率的提高,电力系统中同步发电机的装机比例逐渐减小,电力系统的稳定性日益受到挑战,其稳定性分析方法与提高措施均亟待研究。虚拟同步机(VSG)能够在一定程度上为系统提供惯性和阻尼,被视为提高系统稳定性的重要措施。然而,VSG通常接入中低压配电网,不仅呈阻感特性的线路阻抗会造成功率耦合,而且功角过大也会造成功率解耦控制困难。文中分析了线路阻抗及功角所造成的功率耦合机理,并通过建立VSG并网时功率与频率的响应模型,发现有功功率的大幅度增加或电网频率下降都会造成功角变大、无功功率控制出现显著偏离的情况,为此提出了基于自适应虚拟阻抗的VSG功率解耦控制策略。最后,利用PSCAD/EMTDC搭建VSG并网模型,验证了所提出解耦控制策略的正确性与有效性。     

基于虚拟同步发电机的MMC受端换流器控制策略

模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)的电力电子拓扑结构决定了其零惯性的特性,对系统惯性无支撑作用,系统发生直流传输功率波动和交流系统发生短时功率失衡都可能导致与火电机组相连的交流电网频率产生较大偏差。针对上述问题,提出了一种基于虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)的MMC受端换流器控制策略。该控制策略在MMC功率外环控制中加入一阶惯性环节,为系统提供惯性参数和阻尼参数,使换流器在运行外特性上与同步发电机相类似。通过建立VSG数学模型,对惯性参数和阻尼参数的动态响应进行分析。基于Opal-RT实时仿真,搭建五端MMC-MTDC系统验证所提出的控制策略的正确性与有效性。仿真结果充分表明,当交直流系统功率发生波动时,该控制策略能够在不依靠复杂通信系统的条件下,有效地抑制交流电网频率波动,VSG控制策略能有效为系统提供惯性和阻尼,提高交流系统频率稳定。     

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。     

电网频率偏差下虚拟同步发电机改进控制研究

虚拟同步发电机(VSG)由于模拟了同步发电机(SG)的调频调压特性和惯性阻尼作用而得到广泛关注。传统的VSG特性分析一般针对电网频率为额定频率的情况,当电网频率不等于额定频率时,仍然采用传统VSG控制将会使VSG动态特性发生变化以及输出有功功率稳态值出现偏差,现有文献对电网频率偏差下的VSG动态特性缺乏分析且现有方案不能完全解决有功功率偏差问题。文章首先分析了电网频率偏差对VSG有功功率和频率特性造成的影响,进而提出一种改进有功频率控制策略,并对改进控制策略进行分析。最后通过matlab/simulink仿真验证所提控制策略在改善动态特性和消除稳态偏差方面的有效性。     

基于一阶LADRC控制的直驱风机次同步振荡抑制策略

针对直驱式风电机组接入弱交流电网诱发次同步振荡 (subsynchronous oscillation, SSO) 问题,提出一阶线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control, LADRC)策略抑制该现象,从而提高系统稳定性。首先,建立直驱式风电机组的并网数学模型,分析次同步振荡频率扰动分量的传播机理;然后,进行一阶LADRC电流内环控制器设计以及参数优化整定,分析表明：控制器对于次同步频率扰动分量有较强的抑制作用。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真软件,建立传统PI和一阶LADRC控制的直驱式风电机组电磁暂态仿真模型。结果表明：所提方法能够阻断次同步频率扰动分量传播,有效抑制SSO。