虚拟同步发电机组惯量--阻尼协调优化控制

摘要

随着风电、光伏等新能源大规模、集中式接入，以并网逆变器接口为主的电力电子型器件得到了广泛的应用。然而电力电子型器件并不具备刚体转动惯量的特征，为应对由新能源接入所引起的系统惯性、阻尼缺失，虚拟同步发电机技术应运而生。通过引入传统同步发电机的控制方程，虚拟同步发电机能够根据频率、电压的变化实时调整功率输出，从而增强电网频率、电压的支撑能力。考虑到虚拟同步发电机模拟了同步发电机的运行特性，并网后将会引起相似的稳定性问题;而由于虚拟同步发电机具有控制参数灵活可调的优势，因此能够为提高系统稳定特性、增强静/暂态稳定裕度提供新的技术手段。为此，本文从虚拟同步发电机控制技术出发，探索和研究提高系统稳定特性的虚拟同步发电机控制参数优化方法及自适应控制策略。 首先，概述了虚拟同步发电机技术的发展历程及国内外工程应用现状。在分析现有虚拟同步发电机控制技术的基础上，针对虚拟同步发电机并网产生的系统稳定性问题，分小干扰稳定和暂态稳定两方面对目前的研究工作进行了综述。 其次，在归纳新能源并网逆变器的传统控制策略以及对比分析虚拟同步发电机典型技术方案的基础上，通过引入同步发电机功率控制方程，从有功-频率、无功-电压两个方向详细剖析并建立了虚拟同步发电机整体控制策略，并在MATLAB/Simulink仿真平台下搭建了虚拟同步发电机模型;仿真结果证明该模型具备惯性、阻尼特征，体现了虚拟同步发电机在频率支撑能力上的有效性。 然后，基于微分包含基础理论，提出了一种含不确定性电力系统的小干扰稳定分析方法。采用线性多胞体小干扰模型，将包含不确定随机激励的电力系统表征为有限个元素的凸包，并基于凸包Lyapunov函数推导出多胞体系统的小干扰稳定判据。在此基础上，通过特征值配置提出了多虚拟同步发电机控制参数协调优化方法，从而保证系统稳态运行过程中的阻尼特性。通过建立WSCC3机9节点系统仿真算例，验证了所提出的小干扰稳定分析及参数优化方法的有效性。 最后，为进一步缩短系统在暂态扰动下的动态响应及振荡时长，充分利用虚拟同步发电机控制参数灵活可调的优势，通过建立振荡过程的优化模型并利用系统状态评估的算法提出了一种抑制系统振荡的虚拟同步发电机组惯量-阻尼协调自适应控制方法。以某典型微电网为算例，仿真证明了所提出自适应控制方法的有效性。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景与意义

1．2虚拟同步发电机国内外研究现状

1．2．1虚拟同步发电机技术

1．2．2 VSG并网稳定性研究

1．3本文主要研究内容

2基于虚拟同步发电机技术的逆变器控制策略

2．1并网逆变器传统控制方式

2．1．1恒功率控制

2．1．2恒压恒频控制

2．1．3下垂控制

2．2虚拟同步发电机的实现

2．2．1同步发电机功率控制

2．2．2虚拟同步发电机的引入

2．2．3虚拟同步发电机典型方案

2．3虚拟同步发电机控制策略

2．3．2无功-电压控制

2．3．3整体控制策略

2．4模型仿真分析

2．4．1单台VSG独立运行

2．4．2多台VSG并联运行

2．5本章小结

3基于微分包含理论的VSG小干扰稳定参数协调优化

3．1含不确定性系统的小干扰稳定分析方法

3．2微分包含基础理论

3．2．1微分包含的定义及提出

3．2．2线性多胞体微分包含系统及凸包Lyapunov函数

3．3基于微分包含理论的含VSG系统小干扰模型及稳定判据

3．3．1含VSG系统的线性多胞体小干扰模型

3．3．2基于凸包Lyapunov函数法的系统稳定判据

3．4提升系统小干扰稳定特性的VSG参数协调优化

3．4．1含VSG系统小干扰稳定特性分析

3．4．2基于特征值配置的多VSG参数优化方法

3．5仿真算例分析

3．6本章小结

4抑制系统振荡的VSG组惯量-阻尼协调自适应控制

4．1电力系统振荡过程分析

4．1．1振荡过程分析

4．1．2一般VSG惯量-阻尼自适应控制策略

4．2单台VSG振荡过程优化控制

4．2．1振荡过程优化建模及求解

4．2．2自适应控制策略设计

4．3VSG组协调优化控制策略

4．4仿真算例分析

4．5本章小结

5．1结论

5．2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的科研成果

致谢