下垂控制逆变器的虚拟功角稳定机理分析

在大干扰下,电压源型的下垂控制逆变器会出现与传统同步发电机类似的暂态功角失稳,而且逆变器会因电流饱和而退变成一个电流源,进而出现更复杂的同步稳定问题。文中以逆变器单机无穷大系统为例,通过定义逆变器的虚拟功角,分别得出逆变器电流未饱和时的虚拟功角特性和电流饱和下的虚拟功角特性,在此基础上分析了逆变器的虚拟功角同步稳定机理和失稳过程,以及故障切除时间对逆变器虚拟功角暂态稳定性的影响,并将该分析方法扩展到虚拟同步机的暂态稳定分析中。最后,基于MATLAB/Simulink仿真验证了失稳分析方法的合理性。     

基于虚拟轴耦合的虚拟同步发电机混合储能惯量-阻尼协调控制策略

将虚拟同步运行的混合储能装置与同步发电机通过虚拟轴耦合,可实现暂态能量的高效传递,提高可再生能源发电系统的暂态稳定性。建立了混合储能装置静态能量与同步发电机动能之间的转换关系。对混合储能装置中的虚拟惯量进行分析,以获得同步运行能力。为了从同步发电机中传递更多的暂态能量,在混合储能装置中引入新的虚拟轴,并分析混合储能装置与虚拟轴耦合对系统暂态稳定性的影响。利用哈密顿能量函数,推导混合储能装置暂态能量高效传递的必要条件,进而提出了混合储能装置虚拟轴的控制策略,以协调虚拟惯量和功率振荡抑制功能。算例仿真结果表明,所提控制策略能明显改善系统频率和功角的暂态稳定性。     

基于虚拟同步发电机的模型预测电流控制

虚拟同步发电机技术(VSG)因可使逆变器具备同步发电机的特性,得到了广泛的研究和应用。针对虚拟同步发电机使用电压电流串级控制以及脉宽调制(PWM)控制底层的逆变器时,存在控制结构复杂和动态响应能力弱等问题,本文提出了一种基于虚拟同步发电机的模型预测电流控制策略(VSG-MPCC)。该控制策略首先获得虚拟同步发电机的输出电流,将其作为模型预测控制的参考值。其次根据系统的模型对之后的电流值进行预测,最后应用价值函数选择使两者误差最小的电压矢量组合作用于逆变器。所提控制策略省去了传统的电压电流串级控制和PWM调制环节,简化了控制结构并提升动态响应能力,提供了更好的功率和频率支撑。通过Matlab/Simulink仿真和实验验证了该控制策略的有效性。     

独立电力系统中基于模式切换的虚拟同步发电机控制方法

同步发电机组-虚拟同步发电机并联供电系统中,两种异构电源的物理结构和控制结构迥异,在负载突变时两种电源的暂态功率难以均分,尤其是在突加负载时,虚拟同步发电机因调节快在暂态过程中会承担过多负荷,甚至短时过载,这使得虚拟同步发电机容量不能充分利用。针对该问题,首先分别从调频、调压和输出阻抗特性差异上,阐明了两者暂态功率分配不均的机理。其次,在传统虚拟同步发电机控制中增加虚拟调速、虚拟励磁、动态虚拟阻抗等环节,以模拟同步发电机组的调速特性和电磁暂态特性,实现与同步发电机组并联运行时的暂态和稳态功率均分。再次,为保证虚拟同步发电机独立运行时的快速动态响应特性,在独立运行模式下仍保持传统虚拟同步发电机控制算法,设计了基于状态跟踪的模式切换环节,实现两种模式之间的平滑切换。最后,基于PSCAD/EMTDC的时域仿真结果和基于RT-LAB的控制器硬件在环试验结果表明,提出的控制方法能够实现虚拟同步发电机与同步发电机组并联运行时的暂态和稳态功率均分,且能够保持虚拟同步发电机独立运行时的快速调压和调频能力,独立、并联运行模式之间能够实现平滑切换,方法可应用于工程实际。     

基于混合储能的变惯量虚拟同步耦合控制技术

若混合储能设备的静止能量拓展为旋转惯量的能量来源,则灵活可控的虚拟同步耦合运行方式,会使电力电子化电力系统的暂态稳定更具可控性.为提高新能源高渗透系统的暂态稳定性,首先建立电池储能、电容储能与同步发电机旋转机械动能间的能量转化关系,使静止混合储能设备具有与系统同步耦合运行的能力.其次,分析由混合储能引入的虚拟惯量对频率稳定和阻尼特性的影响机理,并提出基于混合储能的变惯量虚拟同步耦合控制技术,使静止储能设备在更加灵活的同步耦合运行方式下,转移同步发电机承受的暂态能量,减小系统内旋转机械的频率及功角振荡.最后,利用MATLAB/Simulink搭建含光伏、混合储能高渗透的仿真系统.结果 表明,在所提控制策略下,含静止能量的储能设备可显著改善系统的暂态稳定性.     

电网对称故障下虚拟同步机暂态稳定性分析

当电力系统遭受大干扰时,虚拟同步发电机(VSG)会与传统同步发电机一样发生暂态功角失稳现象,威胁系统稳定性。另外,电力电子器件的饱和非线性等电力电子化特征导致传统电力系统暂态稳定性的分析方法不再适用。通过以单机无穷大母线连接方式下电网发生对称短路故障为例,在借鉴传统交流电力系统分析方法的基础上提出了一种适用于电力电子化电力系统的暂态稳定性分析方法,分析了计及VSG饱和特性的暂态功角稳定性,并在此基础上提出了提高系统暂态稳定性的相应措施。最后,基于Matlab/Simulink仿真验证了结论。     

改善虚拟同步发电机阻尼特性的设计方法

虚拟同步发电机(virtual synchronous generators,VSG)控制基于虚拟同步机制可以增大电力系统等效转动惯量,改善电网稳定性。但是由于虚拟同步发电机模拟传统电机的机电暂态特性,传统电机的动态稳定性问题也因此被引入到虚拟同步发电机中。通过建立虚拟同步发电机的动态模型,发现线路电感会对系统等效产生负阻尼力矩;采用复数力矩系数法,分析得到虚拟励磁调节器同样会在控制回路中等效叠加阻尼力矩,存在功率振荡的风险。为改善系统阻尼特性,采用虚拟阻抗控制策略改善电感等效阻尼;并提出一种虚拟电力系统稳定装置(power system stabilizer,PSS)设计方法,可以实现虚拟励磁等效力矩的补偿。最后,通过搭建仿真平台,验证虚拟同步发电机中存在的负阻尼特性以及补偿设计方法的有效性。     

强阻尼电压源型虚拟同步发电机大扰动功角稳定性分析

虚拟同步发电机与传统同步发电机具有相似的外特性,在大扰动下,虚拟同步发电机也具有与传统同步发电机相似的失稳机理。但是,与传统同步发电机相比,虚拟同步发电机逆变器会受到电流限幅的影响,功角曲线与传统同步发电机不同;同时虚拟同步发电机阻尼系数比同步发电机大得多,无法简单判断虚拟同步发电机的功角稳定性。因此,以虚拟同步发电机—无穷大系统为例,首先,介绍虚拟功角由饱和曲线向非饱和曲线的转变,分析虚拟同步发电机强阻尼系数的特性。然后,指出受扰后虚拟同步发电机系统动态响应的强时变特性,给出虚拟同步发电机大扰动功角稳定性的判断方法。最后,基于PSCAD仿真验证了所提方法的合理性。     

直流配电系统接口换流器虚拟同步发电机自适应惯性控制策略

直流配电网具有低惯性弱阻尼特征,负荷投切、分布式能源出力波动等扰动,会对直流母线电压造成严重影响.类比交流系统中的虚拟同步发电机控制,文章提出了基于电压-电流下垂控制的直流虚拟同步发电机自适应惯性控制策略;建立了直流虚拟同步发电机小信号模型,推导出直流母线电压与直流侧输出电流之间的传递函数;根据直流母线电压暂态振荡特征,设计了自适应虚拟惯性系数策略.仿真结果表明,所提控制方法能够改善系统暂态响应,提高直流配电系统的稳定性.     

VSG惯量及阻尼的协同自适应控制研究

针对常规自适应控制的虚拟同步发电机在微网变化后虚拟惯量及阻尼之间不协调的调整可能导致系统出现较严重的频率波动问题,设计一种新型的虚拟同步发电机参数协同自适应控制策略。首先,结合扰动发生后系统在不同阶段暂态能量转换过程,提出一种指数型虚拟惯量自适应控制技术方案;然后,基于系统动态特性指标要求,在虚拟惯量和阻尼之间建立一种函数关系,并给出关键参数选取原则和具体范围,使惯量和阻尼协同调节以保持系统始终处于最佳阻尼比状态;最后,通过仿真对比证明了所提策略的优越性。     

提高下垂控制逆变器虚拟功角暂态稳定性的控制方法

下垂控制逆变器在大扰动下存在类似于传统同步发电机的暂态失稳现象,且受到逆变器输出电流限幅环节的影响使其电压控制环失去作用,因而工作于饱和电流源模式。文中进一步分析了在暂态过程中由于电压非理想跟踪特性而导致虚拟功角曲线发生偏移、并使逆变器暂态稳定裕度下降的机理。在此基础上,提出一种估计逆变器输出电流并用于前馈控制的方法,以提高逆变器的电压跟踪性能,从而提高逆变器的暂态稳定性。此外,针对逆变器暂态过程中无稳定平衡点的问题,提出一种暂态同步控制策略。当逆变器电压控制环饱和失控时,将逆变器控制在合适的平衡点,以防止其发生暂态失稳,同时为系统提供无功支持。最后,采用单机无穷大系统验证了所提出方法的有效性。     

基于虚拟同步发电机的多逆变器并联控制策略

针对孤岛微电网多逆变器并联系统,在传统控制策略下接入负载时,系统会出现波形畸变。为了提高电能质量,需要分离谐波电流。因此,本文提出基于虚拟同步发电机的谐波电流分离策略,首先采用虚拟同步发电机技术(VSG)使逆变器具有惯性和阻尼特性,接着构建虚拟同步发电机小信号模型,对有功和无功环进行建模分析。然后,采用三阶广义积分交叉对消反馈网络(TOGI-OSG)对系统中产生的谐波电流进行分离。Matlab/Simulink仿真实验证明了所提方法的有效性。     

基于虚拟同步发电机控制的VSC类同调等值方法

针对含有采用虚拟同步发电机控制(VSG)策略的电压源型换流器(VSC)的电网,开展其局部的电磁暂态仿真等值方法研究。分析了VSC具有同步发电机特性后的功角特性在电网等值中的可行性。类比交流同调性判别的方法,设计了适合于VSC的类同调判据,提出了基于虚拟同步发电机控制的VSC参数聚合方法。在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建了基于虚拟同步发电机控制的VSC并联运行模型,划分了内部区域和外部区域。基于系统在单相接地故障扰动下各VSC的虚拟功角曲线,判断了其类同调性,划分了不同的类同调VSC群,并分别进行了参数聚合。最后对比了等值前、后的外部区域对内部区域的输出有功、无功曲线,误差分析结果表明等值前、后VSC群的潮流基本不变,从而验证了所提基于虚拟同步控制的VSC群类同调等值方法的正确性和有效性。     

基于虚拟阻抗优化的VSG暂态功角稳定自适应控制策略

在电网短路故障发生的情况下,虚拟同步发电机系统不仅会发生暂态功角失稳,同时还可能会出现过流。为了提升虚拟同步发电机的暂态功角稳定性及故障电流限制性能,首先建立了包含电压和电流控制环、虚拟阻抗及功率控制环结构的虚拟同步发电机系统的总体控制结构,给出了虚拟阻抗功率模型建立的理论依据。对无功功率控制环路恶化暂态功角稳定性,提出了设置电压增量自由控制支路来实现提高暂态功角稳定性的方法。其次,在无功功率控制环路及电压增量自由控制支路的共同作用下,对“不考虑切除故障”和“考虑切除故障”两种不同的运行工况,提出了能够同时满足暂态功角稳定性和故障电流限制的虚拟阻抗优化方法。最后提出了虚拟同步发电机的暂态功角失稳控制和故障电流限制的自适应控制算法,以满足实际运行工况的需求,通过Simulink仿真模型验证了所提自适应控制策略的有效性和可行性。     

变流器虚拟惯量和阻尼协同自适应控制策略

针对变流器传统虚拟同步发电机控制(virtual synchronous generator, VSG)在暂态过程中出现的频率超调等问题,提出一种虚拟惯量和阻尼系数协同自适应控制策略。首先,对VSG变流器系统进行数学建模;然后,通过分析VSG有功和角频率暂态特性曲线,提出一种虚拟惯量和阻尼系数协同自适应控制策略,同时借鉴传统同步发电机小信号模型分析方法建立有功功率环路传递函数,给出参数的选取范围;最后,基于MATLAB/Simulink仿真,验证了所提自适应控制策略在改善频率和功率暂态特性方面的有效性。     

离网条件下的虚拟同步机分布式并联系统暂态稳定分析

虚拟同步机技术的应用,使得分布式电源具有同步发电机特性,可实现离网运行,其可控惯量对离网条件下分布式并联系统的频率稳定和有功振荡有很大的影响。基于离网条件下的虚拟同步机分布式并联系统,以两端输出有功功率振荡为标准,利用李雅普诺夫方法推导暂态能量函数,分析两端惯性时间常数对系统有功振荡的影响。根据分析结果,对暂态期间惯性时间常数进行控制,抑制有功振荡幅度,减小振荡时间,从而提高系统暂态稳定性。最后,利用PSCAD/EMTDC?软件建立模型进行仿真,验证所提方法的可行性。     

具有阻尼和惯性的电流下垂控制研究

针对虚拟同步发电机控制策略的优良特性,研究了其在电流下垂控制中的应用。采用电流下垂控制算法取代虚拟同步发电机的有功/频率调节和无功/电压调节控制策略,保留其机械转动所具有的惯性和阻尼特性,舍弃其定子电气模块,使逆变器不仅具有电流下垂控制的优越性能,而且具备虚拟同步发电机的阻尼和惯性特征,增强电网频率和电压幅值的稳定性。通过在电压/电流双闭环控制器中引入虚拟阻抗,提升并网逆变器的鲁棒性。仿真实验结果验证了所提出控制策略的可行性和有效性。     

虚拟调速器对VSG暂态功角稳定影响机理分析

作为重要的一次调频环节,虚拟调速器(VG)对于大扰动下虚拟同步发电机(VSG)保持暂态功角稳定非常重要。以低通滤波(LPF)和高通滤波(HPF)型VG为研究对象,分别构建相应的VSG暂态大信号模型,采用扩展等面积定则分析考虑不同调速器时的VSG暂态功角稳定机理,并利用相图法量化研究VG控制参数对VSG暂态功角稳定的影响。研究发现,VG截止频率的减小会提高系统暂态功角稳定,LPF型VG增益的增加会增强系统暂态功角稳定,而HPF型VG增益的增加会造成系统暂态功角稳定先增强后减弱,且当VG的增益和截止频率相同时,LPF型VG比HPF型VG具有更大的系统暂态功角稳定裕度。仿真结果验证了理论分析的正确性。     

一种电网友好型光储分布式电源控制策略

提出一种电网友好型光储分布式电源,采用具有惯性环节的虚拟同步机(virtual synchronous generator,VSG)控制方法作为与电网的接口,并提出了电网频率自适应控制策略,根据电网频率变化区间自适应选择三种运行模式:离网运行模式、并网发电模式、频率调节模式。针对这3种运行模式,分析了虚拟同步发电机的有功–频率环节的传递函数以及虚拟转动惯量对暂态稳定性的影响。为了提高系统并网运行时的暂态稳定性,构造了系统的暂态能量分析函数,分析了扰动发生后系统的暂态能量变化过程,并提出了一种虚拟转动惯量动态调节方法优化系统的暂态控制过程。在搭建的Matlab/Simulink仿真模型中分析了所提的控制策略和方法,并在搭建的10k W VSG实验平台中验证了所提方法的正确性和可行性。     

同步耦合双馈风机的虚拟惯量优化控制技术

双馈风电机组在同步并网时虚拟出的可控惯性将显著影响电网的动态特性,仍须通过优化控制减少其附加运行风险,充分发挥其控制潜力。该文首先建立引入虚拟同步控制后的双馈风电机组的动态模型,并分析双馈风机与同步发电机之间建立的虚拟同步耦合关系。在此基础上,构建双馈风机同步并网系统的能量函数,基于同步并网耦合关系提出双馈风电机组的变惯量优化控制策略,并借助控制参数对系统稳定性的影响分析,设置虚拟惯量参数范围。最后,搭建双馈风机同步并网系统进行仿真验证,双馈风机的虚拟惯量需要在合理范围内通过变惯量优化才能为并网系统提供可靠的动态稳定支撑。