基于虚拟同步机的微网并网逆变器控制策略研究

摘要

伴随国民经济发展与化石能源枯竭的矛盾越来越显著，以可再生能源为特色的分布式发电(Distributed Generation，DG)系统迅速占据了未来电力研究的关键位置。微电网(Micro-Grid，MG)提供了分布式发电系统应用的方式，并网逆变器作为连接微电网和大电网之间的纽带对微电网的运行情况有重要影响。并网逆变器由电力电子器件为主体构成，由此带来一系列不足，包括系统低输出阻抗、缺乏惯性、并网联运时的功率分配能力不足以及难以与现有电力系统的调控策略进行配合。
　　本文以微网并网逆变器为研究对象，通过建立数学模型，详细分析其工作原理和特点。通过对微电网的结构分析与并网逆变器传统控制策略进行对比，研究传统的并网逆变器控制策略中的不足，并引入模拟同步发电机特性的虚拟同步机(VirtualSynchronous Generator, VSG)控制策略。
　　针对传统电机与电力电子器件之间的差异，建立二阶同步电机数学模型，通过数学模型分析建立同步电机关键参数与逆变器电路中关键参数的对应关系，运用类比的思想建立两者之间联系，从而为控制策略提供理论依据与设计思路。
　　对基于虚拟同步机的并网逆变器整体控制策略进行研究。首先，对同步电机调速器与励磁控制器原理进行分析，类比设计频率控制器与虚拟励磁控制器。接着对模拟的同步电机本地进行设计，借助幅值相角的转化引入复数形式的电阻电阻和同步电抗，实现模拟同步电机本体特性。
　　之后在仿真平台上完成全系统模型搭建，研究系统工作时，不同工况下系统的动、稳态工作特性，分析验证转动惯量的作用，并通过和同步电机、下垂控制进行仿真对比，验证所设计的控制策略既可以模拟同步电机的外特性又能够克服下垂控制的不足。最后，设计并搭建一套LCL型三相并网逆变器实验平台，对平台硬件进行介绍，在硬件平台上进行初步实验验证，证明所采用的控制策略的有效性与可行性。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 微网工程应用研究现状

1.3 虚拟同步机控制策略研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 微电网系统中的结构与控制

2.1 引言

2.2 微网拓扑组成与控制策略

2.3 并网逆变器的经典控制策略

2.4 虚拟同步发电机控制

2.5 微电网运行状态

2.6 本章小结

第3章 虚拟同步发电机控制策略设计

3.1 引言

3.2 同步发电机的数学模型

3.3 系统拓扑与结构

3.4 虚拟同步机本体设计

3.5 虚拟调速器

3.6 虚拟励磁调节器

3.7 本章小结

第4章 VSG系统仿真分析

4.1 引言

4.2 虚拟同步机仿真建模

4.3 单台逆变器仿真分析

4.4 与其他控制策略的仿真对比

4.5 本章小结

第5章 虚拟同步机的实验验证

5.1 引言

5.2 功率电路设计

5.3 控制电路设计

5.4 控制程序设计

5.5 实验结果与分析

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢