基于小信号模型的虚拟同步机稳定性机理及参数整定研究

摘要

随着全球能源和环境的日益恶化，可再生能源因其可开发潜力巨大和清洁环保的特点得到了快速发展。这导致可再生能源发电设备在电网中的渗透率越来越高，并使得电网惯性的降低，导致系统频率快速波动而失去稳定性。为此，相关研究人员提出通过算法在并网逆变器控制器上模拟同步发电机的惯性及调频调压特性可以增加系统的电压和频率支撑作用。该算法被称为虚拟同步发电机技术(Virtual Synchronous Generator，VSG)。然而，该算法在引入惯性改善系统频率稳定性的同时，也恶化了系统的小信号功角稳定性。为此，本文对虚拟同步发电机的小信号稳定性展开了研究，主要内容和创新点有： (1)本文从同步发电机的数学模型的出发，详细的介绍了目前常用的VSG控制算法以及这些控制方案之间的异同。 (2)本文建立了鲁棒控制VSG的小信号模型，然后通过对该模型的参与因子的分析，发现高阶模型中提供了较多与功率振荡弱相关高频模态。为此，本文提出可采用稳态方程描述滤波器和线路的动态特性，并获得了系统的降阶模型及误差表达式。随后，对特征根、主要相关状态变量与误差表达式进行分析，均表明降阶模型能够高精度地获取低频特征根。除此之外，本文还利用参数灵敏度和根轨迹分析两种小信号模型的应用场合。发现降阶模型应用到低频振荡、阻尼分析和控制器设计等场合的效果与高阶模型一致。但因无法获得中高频特征根，在低阻抗比或感性网络中存在稳定性判断错误的可能性 (3)本文通过对比同步发电机和虚拟同步发电机的小信号框图发现在一定条件下，两者小信号模型可以直接等价。为此，借鉴传统电力系统中的分析方法，本文定义了计及无功电压环节VSG的虚拟转矩系数，然后从数学模型的角度讨论了该系数和系统稳定性的关系。紧接着在仿真、实验等多个平台验证该结论的合理性，并使用虚拟转矩系数分析了系统参数和控制器参数对系统稳定性的影响机理。分析结果可用于电力系统稳定性的设计。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 虚拟同步发电机技术的研究现状

1.2.1 虚拟同步发电机的基本原理

1.2.2 虚拟同步发电机的应用与挑战

1.3 虚拟同步发电机稳定性分析的研究现状

1.3.1 电力电子设备的建模问题

1.3.2 小信号稳定性分析方法概述

1.3.3 低频振荡的机理分析方法概述

1.4 论文的主要研究内容

第二章 虚拟同步机控制技术

2.1 小信号分析方法

2.2 同步发电机的数学模型

2.2.1 SG的转子运动方程

2.2.2 SG电气部分数学模型

2.3 虚拟同步发电机的数学模型

2.3.1 VSG的转子运动方程

2.3.2 VSG电气部分数学模型

2.4 本章小结

第三章 单虚拟同步机并网系统的小信号模型及其降阶分析

3.1 本文采用逆变器拓扑及控制策略

3.1.1 并网逆变器的拓扑结构

3.1.2 鲁棒下垂控制VSG的小信号建模

3.2 VSG小信号模型的降阶及误差分析

3.2.1 VSG小信号模型的降阶

3.2.2 高阶模型中低频特征根计算

3.2.3 误差表达式

3.3 高低阶模型模型的验证及精度分析

3.3.1 小信号模型准确性的仿真验证

3.3.2 两种模型的特征根及误差分析

3.4 高低阶模型的适用性分析及验证

3.4.1 基于灵敏度和根轨迹的模型适用性分析

3.4.2 仿真验证

3.6 本章小结

第四章 VSG的虚拟转矩及其在振荡失稳分析中的应用

4.1 同步发电机的恒磁链模型及线性化

4.1.1单机无穷大模型

4.1.2 SG模型的线性化

4.1.3 VSG和SG的小信号框图对比

4.2 虚拟转矩系数与稳定性关系的研究

4.2.1 仅计及有功环节的虚拟转矩系数与稳定性关系研究

4.2.3 计及无功电压环节的虚拟转矩系数与稳定性关系研究

4.3 虚拟转矩系数与稳定性关系验证

4.3.1 计及无功电压环节的虚拟转矩系数的计算

4.3.2 仿真验证

4.3.3. 实验验证

4.4 无功电压环节对虚拟转矩系数及系统稳定性的影响

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录 A

附录 B

攻读硕士期间取得研究成果