三相PWM逆变器的虚拟同步发电机控制方法研究

摘要

对于分布式发电设备，既要并网时跟踪功率给定，又能在电网故障时孤岛运行保证重要负荷的供电。而矢量电流控制方法只能并网运行，孤岛时通常采用下垂控制，模式切换时由电流型控制变为电压型控制，结构复杂。矢量控制过快的响应还导致像LC谐振等稳定问题。而虚拟同步发电机(VSG)是电压型控制，并网孤岛均可，并离网切换时快速且电流无冲击。不同于下垂控制，VSG控制加入虚拟惯量和频率阻尼，可以调节功率的响应时间，减小电流冲击，提高功率和频率的抗扰能力及系统的稳定性。弱电网下，VSG还能支撑电网电压的频率和幅值。
　　本文首先建立了三相PWM并网逆变器在三相静止、两相静止和同步旋转坐标下的电路模型，介绍了虚拟同步发电机控制的原理和传统控制结构，鉴于锁相环带来的稳定问题，提出了正常运行中不用锁相环且电压参考由幅值乘功角得来的控制结构，并在无功控制的前向通道加入一阶惯性来增加稳定性。根据并网时频率偏差小于1％的稳态要求，得到频率阻尼的选取原则，由简化一阶惯性环节的调节时间或二阶系统的阻尼大小和调节时间来确定惯量。
　　虚拟同步发电机控制回路为二阶系统，不同的阻尼大小会使动态响应不一样，比如阻尼太大导致调节时间变长，太小又会引起超调。本文分析了功率阶跃时虚拟惯量、阻尼大小对有功功率和频率响应的影响，无功控制PI系数和惯性常数对无功功率和幅值响应的影响。预同步控制用于发电设备无冲击并入电网，分析了现有方法的缺点，改进的方法中加入相角差滤波，频率参考中减去其比例，就能将相角差调至零附近，减小了启动电流和功率反向。另外功率反向也可加入频率下垂环节，改变系数大小和正负来抑制。
　　常规PWM变换器控制的稳定性问题包括高频谐振和次同步振荡，而虚拟同步发电机存在工频振荡。本文分别建立了有功功率-功角和无功功率-幅值控制的开环传函，得到了整体的矩阵开环传函，用波特图分析发现在50Hz处存在谐振，采用虚拟阻抗和电流高通反馈抑制了工频振荡。
　　为了验证理论分析和所提方法在实际环境中的可行性，在现有的15kW三相PWM并网逆变器实验平台上作了验证。完成了传统和所提虚拟同步发电机控制方法的稳态、动态响应、并离网切换、预同步控制和抑制工频振荡的实验，实验结果表明分析和所提方法的有效性。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 三相PWM逆变器控制方法的分类

1.3虚拟同步发电机的研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 虚拟同步发电机的控制结构和参数设计

2.1引言

2.2 三相PWM并网逆变器的建模

2.3 虚拟同步发电机的传统控制

2.4 虚拟同步发电机的功角控制

2.5 虚拟同步发电机的参数设计

2.6 仿真结果

2.7 本章小结

第3章 虚拟同步发电机的动态特性和预同步控制

3.1引言

3.2 虚拟同步发电机的动态响应

3.3虚拟同步发电机的预同步方法

3.4 仿真结果

3.5 本章小结

第4章 虚拟同步发电机的稳定性分析

4.1 引言

4.2 有功和无功控制的稳定性分析

4.3 系统整体的开环传函分析

4.4 工频振荡的抑制

4.5仿真结果

4.6 本章小结

第5章 实验结果和分析

5.1引言

5.2三相PWM逆变器实验平台

5.3 实验结果

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文及其它成果

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