半月刊

ISSN 1000-1026

CN 32-1180/TP

+高级检索 English
  • 基于虚拟同步发电机的新能源并网技术及应用
    全 选
    显示方式: |
    • 虚拟同步发电机技术在风力发电系统中的应用与展望

      2018, 42(9):17-25. DOI: 10.7500/AEPS20171012015

      摘要 (2962) HTML (0) PDF 1.61 M (3146) 评论 (0) 收藏

      摘要:随着风电并网容量的不断提升,大量通过电力电子装置并网的风力发电机组使得现有电力系统的转动惯量缺失,造成系统频率稳定性下降等问题愈加严重。虚拟同步发电机技术可通过模拟传统同步发电机的运行特性,提高风机的并网等效惯量和阻尼系数及电网的风能渗透率。首先,论述了近年来虚拟同步发电机技术在风力发电系统中的研究进展,探讨了风能最大功率点跟踪(MPPT)与频率支撑的协调控制,并揭示了实际转子与虚拟同步转子的能量平衡关系。然后,分析了系统参数设计及其对稳定性的影响,并以主流的全功率型风机和双馈型风机为例,介绍了具体控制方法及其未来在大规模风电场聚合等值研究中的应用前景。最后,总结了当前存在的关键技术问题及可行的解决思路。

    • 虚拟同步发电机的暂态稳定性分析

      2018, 42(9):51-58. DOI: 10.7500/AEPS20171115017

      摘要 (2283) HTML (0) PDF 2.20 M (2581) 评论 (0) 收藏

      摘要:虚拟同步发电机通过模拟传统同步发电机的摇摆方程实现换流器的虚拟惯性控制,在大扰动下同样存在暂态失稳现象。文中分析了单机无穷大母线连接方式下虚拟同步发电机的暂态稳定性。首先,建立了虚拟同步控制的换流器的大信号模型并基于奇异摄动理论对系统进行降阶,通过与电磁暂态仿真模型进行对比验证了模型的正确性。然后,在此基础上引入胞映射方法对降阶模型的全局非线性进行分析,求出了以虚拟角速度和虚拟相角表示的相平面的吸引域及故障临界切除时间,并对影响虚拟同步发电机大扰动下稳定性的关键因素进行分析,分析结果与小信号分析的结果进行对比。分析表明,系统参数如电网内阻抗、输送功率、虚拟惯量、阻尼系数及滤波器参数等都对虚拟同步发电机的暂态稳定性有重要影响。最后,基于MATLAB/Simulink仿真验证了结论的正确性。

    • 虚拟同步发电机并网运行适应性分析及探讨

      2018, 42(9):26-35. DOI: 10.7500/AEPS20171031013

      摘要 (3090) HTML (0) PDF 1.65 M (3195) 评论 (0) 收藏

      摘要:虚拟同步发电机(VSG)技术可使新能源发电设备具有与同步机类似的频率和电压支撑能力,因此得到广泛关注。目前相关研究主要关注VSG本体模型及控制策略,同时工程应用场景主要为微电网。从大容量并网新能源VSG示范工程建设中遇到的难点出发,结合目前新能源发展中遇到的相关技术问题,将VSG并网后在复杂电网工况下的安全高效运行概括为VSG的并网适应性问题,包括并网稳定、故障穿越和风电VSG转子惯量支撑。对于并网适应性问题,分别总结和梳理了已有研究成果和局限性,针对性地介绍了相关研究进展,并对未来的研究方向进行了展望。

    • 负荷虚拟同步机及其低电压故障穿越控制

      2018, 42(9):100-107. DOI: 10.7500/AEPS20171115010

      摘要 (1964) HTML (0) PDF 1.35 M (1686) 评论 (0) 收藏

      摘要:负荷虚拟同步机(LVSM)是一种电网友好型负荷并网接口,但其本身不具备低电压穿越能力。为此,文中提出一种适应电网对称与不对称故障的LVSM低电压穿越控制方法。首先,提出LVSM的统一拓扑及其基本控制策略。在基本控制策略的基础上增加电网电压正序分量提取、低电压穿越检测、功率指令变更策略、故障期间使能的负序电流抑制、故障期间电流环输入限幅5个环节,实现电网故障短时间内LVSM不脱网、负荷稳定运行,并最大限度地为电网提供无功支撑。由于LVSM在故障期间保持惯性功率控制,故障结束后功率振荡平滑且有惯性,可有效减轻对电网的暂态冲击。硬件在环实验验证了所提低电压穿越控制方法的有效性。

    • 具有低次谐波抑制功能的虚拟电阻型光伏逆变器

      2018, 42(9):114-119. DOI: 10.7500/AEPS20170628005

      摘要 (1953) HTML (0) PDF 1.64 M (1581) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对现有的具有谐波补偿功能的光伏逆变器只能就近补偿本地非线性负载的谐波而无法参与电网谐波治理及谐波治理贡献难以衡量的问题,研究了一种具有低次谐波抑制功能的虚拟电阻型光伏逆变器。分析了电阻对并网点谐波电压和电力系统谐振的抑制作用,基于此提出了虚拟电阻型光伏逆变器控制方法,用比例—积分控制器控制对并网点电压和电流进行快速傅里叶变换后所得各次谐波电流与相应的谐波电压同相,幅值相差Kh倍,光伏逆变器被等效为一个“虚拟电阻”。以吸收的谐波功率来衡量用户的谐波治理贡献,并提出了按吸收谐波功率最大化的准则自动调节Kh的控制策略。仿真和硬件实验结果表明,所提虚拟电阻型光伏逆变器在正常发电的同时能有效抑制公共连接点低次谐波电压。

    • 适用于电网不对称故障的双馈风力发电机虚拟同步控制策略

      2018, 42(9):120-126. DOI: 10.7500/AEPS20171025030

      摘要 (1862) HTML (0) PDF 1.36 M (1581) 评论 (0) 收藏

      摘要:双馈感应发电机(DFIG)虚拟同步控制策略可使DFIG为电网提供频率与电压支撑,改善其并网特性。现有虚拟同步控制策略的主要目标是模拟同步发电机机电动态特性,未深入探讨电磁暂态过程中如何对DFIG进行控制。分析了电网发生不对称故障时,基于虚拟同步控制的DFIG的故障特性;得出了现有虚拟同步控制策略难以抑制DFIG故障电流与电磁转矩振荡的结论。在此基础上,提出了一种适用于电网不对称故障的DFIG电压补偿虚拟同步控制策略,该策略通过补偿转子电压的故障分量来改善DFIG转子电压的响应速度,抵消或削弱转子反电势故障分量的影响。仿真对比了现有虚拟同步控制策略与所提出策略的控制效果,验证了所提策略能够显著降低DFIG转子故障电流,抑制电磁转矩的暂态冲击与持续振荡,有效提高DFIG不对称故障穿越能力。

    • 非理想电网条件下的同步逆变器控制策略

      2018, 42(9):127-133. DOI: 10.7500/AEPS20171114008

      摘要 (1891) HTML (0) PDF 1.68 M (1629) 评论 (0) 收藏

      摘要:同步逆变器可模拟同步发电机的机械惯性及一次调频、调压特性,有助于改善配电网/微电网的运行性能。针对非理想电网条件下同步逆变器的关键技术展开了研究。在简要阐述同步逆变器基本模型的基础上,详细分析了非理想电网对入网电流的影响;提出了一种基于双二次广义积分的电感电流参考值改进算法,采用电网电压前馈的方法消除非理想电网电压带来的影响。推导分析了LC型同步逆变器的改进型电网电压前馈控制策略中主要参量之间的基本关系及其设计方法,并结合同步逆变器输出阻抗特性的变化规律给出了一种合理的理论解释。最后,搭建了仿真模型和实验验证平台,仿真和实验结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。

    • 基于欠励磁状态运行的虚拟同步发电机低电压穿越控制策略

      2018, 42(9):134-140. DOI: 10.7500/AEPS20170930005

      摘要 (1628) HTML (0) PDF 1.81 M (1361) 评论 (0) 收藏

      摘要:虚拟同步发电机(VSG)技术可模拟同步发电机(SG)运行特征,有助于并网系统和传统电源在电网中的协调运行。但其电压源特性增加了低电压穿越(LVRT)的运行难度,难以限制电流并提供适当无功支撑。为此,将传统SG并网无功调节原理应用于LVRT控制中,提出一种基于欠励磁状态运行的VSG的LVRT控制新方法。不改变原有VSG控制结构,对下垂特性、无功环和有功环分别进行改进设计,抑制电网故障对VSG的暂态冲击,加速励磁状态的转变过程。并在保持原有VSG特性的基础上改进附加电流环,应用新的定向方法,辅助系统欠励磁状态运行,实现故障穿越。所提方法无需切换控制算法,也无需加入状态平滑切换策略,且能同时应对LVRT和电网不对称跌落问题,简化控制策略,拓展VSG运行优势的适用范围。最后,通过仿真验证了所提方法的正确性和有效性。

    • 基于态势利导的同步逆变器负序电流抑制方法

      2018, 42(9):141-148. DOI: 10.7500/AEPS20171115006

      摘要 (1794) HTML (0) PDF 1.61 M (1475) 评论 (0) 收藏

      摘要:电网电压不平衡时,同步逆变器并网运行输出负序电流导致三相并网电流严重不平衡,进而使电网不稳定加剧,制约了其在新能源并网中的应用。针对此问题,对电网电压与逆变器输出电压未能同步而产生的不平衡电流进行机理分析,提出了一种抑制负序电流的新方法。该方法首先对逆变器输出电流进行态势预测,提前预知电流态势信息,然后将预测所得电流变化量转化为相应电压变化量作为前馈信息输入同步控制系统进行实时补偿,可实现同步逆变器态势利导下的快速预防控制。仿真结果表明,所提方法有效抑制了电网电压不平衡时的负序电流,降低了电流不平衡度,并提高了控制系统的动态性能。

    • 光伏虚拟同步发电机工程应用效果分析及优化

      2018, 42(9):149-156. DOI: 10.7500/AEPS20171106012

      摘要 (2131) HTML (0) PDF 1.67 M (2013) 评论 (0) 收藏

      摘要:对模拟转子运动方程和改变功率给定值两类光伏虚拟同步发电机调频控制策略和实现方式进行分析,对比研究了两类控制策略在调频启动时间、振荡风险、功率支撑方式、惯量响应死区等方面的差异。基于风光储电站虚拟同步发电机示范工程现场实测数据,研究了两类光伏虚拟同步发电机控制策略的实际支撑效果与差异化特征。针对现场实测中发现的两个性能缺陷,提出了功率深度利用和光储协调优化控制策略,借助RT-LAB硬件在环仿真平台验证了所提控制策略的有效性。

    • 基于自适应虚拟惯性的微电网动态频率稳定控制策略

      2018, 42(9):75-82. DOI: 10.7500/AEPS20170911013

      摘要 (2244) HTML (0) PDF 1.70 M (1676) 评论 (0) 收藏

      摘要:微电网作为分布式电源的有效载体,通过分布式电源并联连接形成独立电网。而微电网中传统下垂控制的输出频率动态响应速度快,在负荷频繁波动下易受到较大扰动。为了提高微电网频率的动态稳定性,文中提出了一种基于自适应虚拟惯性的同步发电机的控制策略,该方法模拟同步发电机的行为,构造频率变化率与虚拟惯性的关系,自适应改变虚拟同步发电机控制的惯性,从而提高微电网系统抗干扰能力和过载能力。相比于传统的交替惯性方法,所构造的自适应惯性算法不需要采样频率微分项,避免了引入系统噪声,同时实现了惯量的平滑灵活调节,具有较强的鲁棒性。另外,利用李雅普诺夫稳定理论分析了所提算法的收敛性和稳定性。仿真和实验结果表明所提方法提升了微电网频率的动态稳定性,从而验证了所提控制策略的可行性和有效性。

    • 基于动态电压补偿的VSG电流平衡及峰值电流控制

      2018, 42(9):108-113. DOI: 10.7500/AEPS20180204005

      摘要 (1842) HTML (0) PDF 1.42 M (1671) 评论 (0) 收藏

      摘要:虚拟同步发电机(VSG)能够实现新能源机组友好并网。然而,传统的VSG技术主要适用于电网电压平衡工况,这使得VSG在电压不平衡情况下面临输出电流不平衡及过流等问题,为此提出一种基于动态电压补偿的VSG平衡电流控制架构及方法。通过负序电流抑制和峰值电流抑制策略,分别生成对应的补偿电压,使得VSG在电压不平衡时仍能输出平衡电流,且可抑制电网电压跌落瞬间的暂态冲击,以及确保稳态运行时的电流不超过安全阈值。同时,所提控制方法并未改变VSG等效为电压源的属性,保留了VSG的电压支撑能力。不同工况下的仿真测试结果验证了所提出控制方法的正确性和有效性。

    • 含虚拟同步发电机的多端柔性直流系统稳定性分析

      2018, 42(9):164-170. DOI: 10.7500/AEPS20171108003

      摘要 (1885) HTML (0) PDF 1.32 M (1689) 评论 (0) 收藏

      摘要:以含虚拟同步发电机(VSG)的多端柔性直流系统稳定性为研究对象,分别建立了VSG控制和矢量控制下电压源型换流器的传递函数模型,采用阻尼转矩分析法研究了VSG接入对直流系统自身稳定性的影响,得出如下结论:(1)“直流系统注入VSG的功率恒定”这一假设忽略了多端直流系统中VSG与剩余直流系统间的动态交互过程,导致其分析结果具有一定的局限性;(2)含VSG的多端直流系统自身会产生稳定性问题,受到VSG自身控制参数和VSG与剩余直流系统间动态交互过程的影响;(3)当VSG的开环模式与剩余直流系统中的开环模式接近时,直流系统可能产生振荡现象,文中给出了有效的参数调节方法。最后,对一个含VSG的三端柔性直流系统进行了时域仿真分析,验证了上述研究结果。

    • 参与微电网调频的电动汽车虚拟同步机充放电控制策略

      2018, 42(9):171-179. DOI: 10.7500/AEPS20170508009

      摘要 (2229) HTML (0) PDF 1.34 M (2382) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对两级双向充/放电机,提出一种接入微电网的电动汽车充电控制策略。首先,将虚拟同步机控制技术应用于前级AC/DC控制,引入虚拟惯量、阻尼和虚拟励磁,使得充电机具有与同步机类似的惯性阻尼特性和电压调节特性。然后,重点设计了辅助调频控制算法,根据考虑电动汽车的负载有功功率—频率特性曲线计算“功率参考值修正量”,改变电动汽车的充/放电功率参考值,使得电动汽车参与微电网一次、二次调频。基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建有电动汽车接入的微电网模型,算例验证表明,所提出的控制策略能够在实现电动车与电网的双向功率交互的同时为微电网提供惯量、阻尼、电压和频率支撑,实现了对独立模式下微电网频率的无差调节,提高了微电网动态稳定性。

    • 级联型储能系统中虚拟同步发电机控制及电池自均衡策略

      2018, 42(9):180-187. DOI: 10.7500/AEPS20171115001

      摘要 (1992) HTML (0) PDF 1.83 M (1586) 评论 (0) 收藏

      摘要:为更好地应对可再生能源装机容量不断提升而传统分布式储能系统容量小、电压等级低的问题,提出采用级联H桥拓扑实现单机电池储能系统(BESS)的高压、大容量化。为增强储能系统入电网友好性,对虚拟同步发电机(VSG)控制技术进行了研究,结合同步发电机的一次调频特性及调压特性,详细分析了同步发电机的二阶等效模型和VSG控制策略,建立VSG控制的宽频带小信号动态模型,定量分析VSG控制的固有功率耦合特性及交流侧阻抗对VSG控制的影响,提高了VSG模型准确度。通过频域模型分析虚拟惯性和阻尼以及无功控制参数与BESS性能的关系,为VSG稳定性分析及关键参数的设计与优化提供了依据。针对VSG控制下BESS模块电池荷电状态均衡的问题,提出一种改进型最近电平调制方法并给出了调制原理,实现了相内模块间荷电状态的自均衡。最后,利用搭建的仿真模型,验证了VSG在级联型BESS应用中的可行性、参数分析以及调制方法的有效性。

    • 适应于弱电网的永磁直驱风电机组虚拟惯量协调控制策略

      2018, 42(9):83-90. DOI: 10.7500/AEPS20171115018

      摘要 (1983) HTML (0) PDF 1.47 M (1591) 评论 (0) 收藏

      摘要:大规模的风电机组并网使电力系统面临惯量减小与调频能力不足的问题,而风机的虚拟惯量控制是解决这一问题的重要手段。当前,永磁直驱风电机组的虚拟惯量控制主要通过将电网频率引入其功率控制或转矩控制中,来实现风机对电网的功率支撑,风电机组仍采用锁相环实现与电网的同步。但在弱电网下,锁相环的动态性能将恶化,甚至会导致风机的失稳。为此,提出一种适应于弱电网的永磁直驱风电机组虚拟惯量协调控制策略,该控制策略可利用直流电容动态实现直驱风电机组网侧逆变器的并网自同步,从而使直驱风电机组无需经过锁相环并网并且能适应于弱电网运行。此外,该控制策略可利用存储于风机的旋转动能为电网提供虚拟惯量。详细讨论了相应的并网自同步机理及惯量模拟机理,并基于MATLAB/Simulink仿真验证了该协调控制策略的有效性。

    • 基于定子虚拟阻抗的双馈风电机组虚拟同步控制策略

      2018, 42(9):157-163. DOI: 10.7500/AEPS20170822002

      摘要 (2145) HTML (0) PDF 1.74 M (1838) 评论 (0) 收藏

      摘要:随着可再生能源的渗透率越来越高,分布式电源面临多重挑战,虚拟同步发电机技术模拟同步发电机运行机制,成为有效解决方法之一。以双馈风电机组为研究对象,研究分析其虚拟同步控制策略,使双馈风电机组具有更大的惯性和频率支撑能力。内环采用改进型双馈风电机组定子电压、转子电流双闭环控制结构,并且建立定子电压控制模型及发电机输出阻抗模型。针对并网时功率存在的耦合问题,采用基于自适应的定子虚拟阻抗控制策略,实现了双馈风电机组并网功率的解耦。最后,通过实验验证了所提方法的有效性。

    • 虚拟同步发电机并联运行的阻抗匹配策略

      2018, 42(9):69-74. DOI: 10.7500/AEPS20170821007

      摘要 (1989) HTML (0) PDF 1.39 M (1937) 评论 (0) 收藏

      摘要:在逆变器中加入转动惯量和阻尼,实现虚拟同步发电机(VSG)控制,可在兼顾本地负载平滑切换的同时提高交流母线频率稳定性。VSG并联按其容量配比对负载进行合理分配,但阻抗不同会对并联造成稳态误差,同样会影响动态性能。提出一种基于虚拟阻抗的并联VSG控制方法,对励磁环节进行改进,实现对交流母线电压的控制,分析有功功率和无功功率运行特性;加入虚拟阻抗并得出阻抗匹配原则,分析虚拟阻抗在暂态过程中的效果。在MATLAB/Simulink中和实验台架上进行了两台VSG并联仿真和实验,结果表明,提出的控制策略可以抑制投切过程中的频率波动,提高VSG并联的稳定性。

    • 虚拟同步发电机的并网功率控制及模式平滑切换

      2018, 42(9):91-99. DOI: 10.7500/AEPS20171115021

      摘要 (2085) HTML (0) PDF 1.85 M (1633) 评论 (0) 收藏

      摘要:现有控制策略难以在电网频率发生波动时实现并网虚拟同步发电机(VSG)的恒功率控制与惯量、阻尼支撑相互协调控制。针对此问题,提出一种VSG的PQ控制模式,使得并网状态下VSG能够实现稳态恒功率运行,同时在动态过程中可以为系统提供惯量支撑。对比分析VSG功率环模型与基于虚拟功率的锁相环模型,提出将功率环模型校正为有零点典型二阶系统,在保持同步机制的同时实现电网频率扰动下VSG的PQ控制模式。通过比例—积分(PI)环节与惯性环节的切换以及参数设计来实现恒定稳态有功功率控制与频率下垂控制之间的平滑切换;从输入和扰动响应这2方面对恒定有功功率控制与频率下垂控制模式进行对比分析。最后,对这2种模式的稳定运行与平滑切换进行了仿真和实验验证。结果表明:PQ控制模式的有功功率控制稳态性能明显优于频率下垂模式,动态性能则弱于频率下垂模式。

    • 松弛小功角约束条件的虚拟同步发电机功率解耦策略

      2018, 42(9):59-68. DOI: 10.7500/AEPS20171116001

      摘要 (1967) HTML (0) PDF 1.66 M (1612) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对虚拟同步发电机(VSG)的输出功率在线路传输过程中存在耦合而引起功率控制产生稳态误差、动态振荡甚至发生控制失效的问题,在对功率耦合机理分析的基础上,提出了一种可松弛小功角约束条件的新型功率解耦方法,实现了更加精确的功率解耦。进而,对所提出的基于新型解耦方法的VSG建立了状态空间小信号模型,通过与传统方法对比分析证明:提出的解耦方法可以更加有效地减弱有功环与无功环之间的耦合影响;同时,提出的解耦方法可以增加系统的增益裕度和相位裕度,提高VSG的系统稳定性。最后,通过实验验证了所提方法可以有效消除由于功率耦合产生的稳态误差以及功率振荡,进而提高VSG有功功率和无功功率的动静态响应性能。

    • 大电网中虚拟同步发电机惯量支撑与一次调频功能定位辨析

      2018, 42(9):36-43. DOI: 10.7500/AEPS20171122007

      摘要 (2469) HTML (0) PDF 3.23 M (2857) 评论 (0) 收藏

      摘要:随着可再生能源渗透率的不断提高,同步电网的惯量和一次调频的能力都在不断下降,而如果可再生能源发电采用虚拟同步发电机(VSG)技术,则可以在大功率缺额冲击下对减小系统频率变化率和频率偏差做出应有的贡献。针对VSG研究中惯量支撑与一次调频功能定位不清晰的现状,亟须明确VSG在大电网中应用时此两者的功能定位需求。文中深入分析了VSG的惯量支撑功能及其物理意义,推导了VSG的惯量支撑功率表达式,辨析了VSG惯量支撑功能与一次调频功能的定位区分,仿真分析了VSG在大型同步电网频率事故过程中采用不同控制功能对系统频率变化的作用。最后指出,在大型同步电网中,一次调频能力下降比系统惯量下降所带来的影响更为严重,因此较之于短时的惯量支撑功率,系统更需要VSG发挥一次调频功率的持续支援作用。

    • 强阻尼电压源型虚拟同步发电机大扰动功角稳定性分析

      2018, 42(9):44-50. DOI: 10.7500/AEPS20170815002

      摘要 (2832) HTML (0) PDF 1.40 M (2231) 评论 (0) 收藏

      摘要: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。