基于虚拟同步控制的微电网建模与动态稳定性问题研究

摘要

微电网是一种由分布式电源、储能装置、电力电子变换装置以及各种电力负荷单元有机整合而成的自主发配电系统，是充分利用新能源、解决电力不足和环境问题的重要手段。正如同步电机在传统电网中大量存在一样，逆变器接口型分布式电源在微电网中广泛应用。虚拟同步逆变器在控制中模拟了同步电机的转子运动方程，从而可以模拟同步电机的外特性。随着该项技术的推广，基于虚拟同步逆变器的微电网的建模与动态稳定性的研究工作亟待进行。
　　本文针对以虚拟同步逆变器为主导的微电网，首先在旋转坐标系下建立全阶虚拟同步型微电网的准稳态模型，并利用奇异摄动法从时间尺度上实现全阶模型降阶和简化；进而利用分岔理论，对降阶模型进行动态稳定性分析，寻找微电网系统的稳定运行边界。考虑到微电网的三相不对称的特性，再利用动态相量法，对三相不对称的微电网系统开展了建模和稳定性分析的工作。
　　本文的主要研究内容具体包括：
　　（1）虚拟同步逆变器型微电网的准稳态建模。首先研究虚拟同步逆变器、网络线路以及负载状态空间模型的建立方法；接着在PSCAD中建立一个以三台虚拟同步逆变器作为微电源的微电网系统，并将此作为算例系统，建立了微电网系统的全阶状态空间模型。
　　（2）利用奇异摄动法的思想，在保证系统的主导特性的前提下，根据奇异摄动理论，分离快、慢变量，并将快变量的方程转变为奇异摄动形式，通过控制扰动参数，从时间尺度上对全阶状态空间模型进行降阶和简化。
　　（3）对降阶模型展开基于分岔理论的微电网动态稳定性分析。首先分析参与因子，找到对微电网系统动态稳定性影响较大的参数；选取这些参数为分岔参数，利用延拓法跟踪和绘制系统的平衡解流形；利用检测函数在解流形上寻找分岔点，构建微电网系统的稳定运行边界；最后将分岔分析的结果与时域仿真结果对比，验证分岔分析结果的正确。
　　（4）不对称微电网系统的动态相量模型的建立与稳定性分析。利用动态相量法，建立了以光伏单相接入为例的三相不对称微电网系统的动态相量模型，通过参与因子以及分岔分析，以及对比模型计算结果与电磁暂态仿真结果，验证了利用动态相量模型描述不对称系统的正确性，以及基于动态相量模型来解决不对称系统稳定性分析的问题的有效性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 微电网国内外研究现状

1.3 本文研究的主要内容

第2章 基于奇异摄动法的三相对称微电网建模研究

2.1 虚拟同步逆变器的原理

2.2 虚拟同步逆变器型微电网全阶动态模型的建立

2.3 基于奇异摄动理论的全阶模型降阶与简化

2.4 模型计算结果与仿真验证

2.5 本章小结

第3章 基于分岔理论的对称微电网动态稳定性分析

3.1 分岔理论的基本原理

3.2 基于延拓法的分岔分析的基本步骤

3.3 虚拟同步逆变器型微电网的分岔分析

3.4 仿真结果与验证

3.5 本章小结

第4章 不对称微电网的动态相量模型与稳定性分析

4.1 动态相量法原理介绍

4.2 三相不对称微电网动态相量模型的建立

4.3 三相不对称微电网的分岔分析

4.4 仿真结果与验证

4.5 本章小结

总结与展望

参考文献

附录A 算例微电网的全阶动态模型

附录B 算例不对称微电网系统的动态相量模型

附录C 攻读学位期间取得的研究成果

致谢