多虚拟同步发电机并联运行时的环流抑制和功率分配问题研究

摘要

分布式发电技术有利于新能源和可再生能源的大规模应用，能够很好解决当前的能源危机和环境污染等问题。分布式电源一般使用电力电子元件组成的逆变器进行控制，其响应速度快，而且传统逆变器控制策略很难实现大电网具有的惯性和阻尼特性。因而，分布式电源大量接入大电网，大大降低了电力系统稳定性。虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator，VSG）控制算法能够将逆变器模拟成同步发电机（Synchronous Generator，SG），不仅能够为电力系统提供频率和电压支撑，还能提供相应的惯性和阻尼特性，使电网稳定性得到极大提高。分布式电源一般容量相对较小，而电力系统有大容量的需求，因而使用分布式电源并联运行系统来扩大容量。本文主要研究了多虚拟同步发电机在并联运行时的环流抑制和功率分配问题，以及在微电网孤岛运行模式下多台虚拟同步发电机的功率分配问题。
　　首先，从单台逆变器控制的角度，归纳总结了常见的逆变器控制算法，选择了性能良好的 VSG算法作为逆变器控制算法。详细分析了VSG数学模型及其控制原理，设计出了相应的励磁单元控制器和调频单元控制器。利用MATLAB/Simulink搭建了VSG单机仿真模型，并对其调频调压的特性、转动惯量对系统动态响应的影响进行了验证。
　　其次，在多虚拟同步发电机并联运行环境下，研究了环流抑制问题和功率分配问题。详细分析了并联系统的环流产生机理；提出了基于VSG虚拟阻抗的电压闭环控制策略，利用VSG算法中的虚拟阻抗来模拟硬件大电感，不仅能达到有效抑制环流的作用，而且可以将逆变器控制成像SG一样具有大感性输出阻抗特性；利用MATLAB/Simulink搭建了两台容量相同的VSG并联系统仿真模型，验证了所述环流抑制策略。详细分析了并联系统每台 VSG的传输功率特性；提出了多VSG并联运行时的功率分配控制策略，能实现多VSG在并联运行时按照其额定容量分配功率，而且在系统负荷变化时，VSG算法中的转动惯量能起到减缓频率变化，抑制功率波动的作用；利用 MATLAB/Simulink搭建了两台容量不同的 VSG并联系统仿真模型，验证了所述功率分配策略。
　　最后，将本文提出的多虚拟同步发电机并联运行时的功率分配策略的应用环境拓展到微电网孤岛运行模式下，验证了本文提出的功率分配策略也适用于微网环境。本文在充分考虑我国电力系统特点的情况下，借鉴相关论文，选取了微电网算例系统。基于选取的微网算例系统，利用MATLAB/Simulink搭建了接入微网的多台VSG孤岛运行仿真模型，验证了本文提出的功率分配策略也适用于微网环境。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究历史与现状

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本文的结构安排

第二章 虚拟同步发电机的设计

2.1 虚拟同步发电机拓扑结构

2.2 虚拟同步发电机数学模型

2.3 虚拟同步发电机控制原理

2.4 虚拟同步发电机仿真结果及分析

2.5 本章小结

第三章 多虚拟同步发电机并联运行时的环流抑制

3.1 多虚拟同步发电机并联运行时的环流分析

3.2 输出阻抗对输出电压的影响

3.3 多VSG并联运行时的环流抑制控制策略

3.4 多VSG并联运行时的环流抑制仿真结果及分析

3.5 本章小结

第四章 多虚拟同步发电机并联运行时的功率分配

4.1 多虚拟同步发电机并联系统传输功率特性分析

4.2 多虚拟同步发电机并联运行时的功率分配策略

4.3 多VSG并联运行时的功率分配仿真结果及分析

4.4 本章小结

第五章 微电网孤岛运行模式下多虚拟同步发电机功率分配

5.1 微电网算例

5.2 微电网孤岛运行模式下多虚拟同步发电机的功率分配

5.3 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果