基于小信號(hào)模型的虛擬同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)研究.pdf

1、在全球能源危機(jī)和環(huán)境污染的背景下，可再生能源因其可開(kāi)發(fā)潛力巨大和清潔環(huán)保的特點(diǎn)，近年來(lái)得到了快速的發(fā)展?？稍偕茉吹姆植际桨l(fā)電技術(shù)因其可靠性高，相比于大規(guī)模的風(fēng)、光電站對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的沖擊小，獲得了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛地關(guān)注。作為一種特殊的分布式發(fā)電系統(tǒng)，微電網(wǎng)將分布式電源、負(fù)荷、電力電子裝置、儲(chǔ)能等整合為一個(gè)獨(dú)立的發(fā)供電系統(tǒng)，有利于可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用，成為目前世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。微電網(wǎng)中的逆變器作為可再生能源并網(wǎng)的主要接口，其控制策略對(duì)微

2、電網(wǎng)的性能有至關(guān)重要的影響。由于傳統(tǒng)的PQ控制、Vf控制和下垂控制難以滿(mǎn)足微電網(wǎng)獨(dú)立自治運(yùn)行的需要，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注虛擬同步發(fā)電機(jī)的概念。本文針對(duì)虛擬同步發(fā)電機(jī)的小信號(hào)穩(wěn)定性和參數(shù)設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，主要研究?jī)?nèi)容有：
　　1.通過(guò)對(duì)下垂控制和同步發(fā)電機(jī)小信號(hào)模型的對(duì)比分析，證明了下垂控制是虛擬同步發(fā)電機(jī)的一個(gè)特例。針對(duì)下垂控制缺乏慣性，受擾后易振蕩失穩(wěn)的缺陷。參考同步發(fā)電機(jī)引入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的原理，在下垂控制中引入功率微分項(xiàng)進(jìn)行改

3、進(jìn)能夠有效抑制振蕩。建立了下垂控制引入功率微分項(xiàng)前后微電網(wǎng)完整的小信號(hào)模型。對(duì)比分析了控制參數(shù)與線(xiàn)路參數(shù)變化對(duì)兩種系統(tǒng)小信號(hào)穩(wěn)定性的影響，總結(jié)了控制參數(shù)的選擇方法。進(jìn)一步地進(jìn)行了靈敏度分析，研究對(duì)比了微電網(wǎng)中各逆變電源狀態(tài)變量對(duì)系統(tǒng)低頻模式的參與程度，以及線(xiàn)路參數(shù)變化對(duì)參與因子的改變。得出結(jié)論：線(xiàn)路長(zhǎng)度或阻抗比增加為系統(tǒng)提供阻尼，且越靠近該線(xiàn)路的逆變電源獲得的阻尼越大；且使用下垂控制時(shí)，系統(tǒng)特征根對(duì)各逆變電源的主導(dǎo)性更易改變。最后，通過(guò)

4、不同工況下的仿真驗(yàn)證了建模、分析與結(jié)論的正確性。
　　2.設(shè)計(jì)了一種無(wú)需電流傳感器的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略?？刂撇呗园ㄔ瓌?dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程、電壓-無(wú)功控制和輸電線(xiàn)路功率計(jì)算方程3個(gè)主要部分。其中創(chuàng)新地采用輸電線(xiàn)路功率計(jì)算方程計(jì)算虛擬電磁轉(zhuǎn)矩，可以使虛擬同步發(fā)電機(jī)無(wú)需電流傳感器。建立了虛擬同步發(fā)電機(jī)的小信號(hào)模型，并結(jié)合同步發(fā)電機(jī)相關(guān)理論進(jìn)行分析，系統(tǒng)性地總結(jié)了參數(shù)設(shè)計(jì)的方法。主要結(jié)論如下：虛擬同步發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)矩與濾波器參數(shù)、輸電

5、線(xiàn)路參數(shù)、電壓-無(wú)功控制環(huán)節(jié)的電壓增益、無(wú)功增益有關(guān)，且無(wú)功增益相比于電壓增益對(duì)同步轉(zhuǎn)矩的影響更大；阻尼轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子方程阻尼系數(shù)、原動(dòng)機(jī)頻率下降系數(shù)有關(guān)。慣性時(shí)間常數(shù)增加將同時(shí)減少虛擬同步發(fā)電機(jī)的阻尼和振蕩頻率。虛擬同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓與無(wú)功功率的關(guān)系則與電壓增益和無(wú)功增益有關(guān)。最后通過(guò)多種參數(shù)工況下的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所總結(jié)的參數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性。
　　3.設(shè)計(jì)了一種與同步發(fā)電機(jī)具有一致響應(yīng)的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略，控制器包括：原動(dòng)機(jī)

6、與轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程、虛擬勵(lì)磁控制、虛擬電磁暫態(tài)控制、雙PI控制器幾個(gè)部分。建立了一致性虛擬同步發(fā)電機(jī)的小信號(hào)模型。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，一致性虛擬同步發(fā)電機(jī)的部分控制參數(shù)和電路參數(shù)對(duì)系統(tǒng)小信號(hào)穩(wěn)定性的影響也符合“虛擬同步發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)矩與濾波器參數(shù)、輸電線(xiàn)路參數(shù)有關(guān)，阻尼轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子方程阻尼系數(shù)、原動(dòng)機(jī)頻率下降系數(shù)有關(guān)”的結(jié)論。同時(shí)對(duì)重新設(shè)計(jì)的虛擬勵(lì)磁控制環(huán)節(jié)和雙PI控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，得出了參數(shù)設(shè)計(jì)的方法。最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一致性虛