基于储能荷电状态的虚拟同步机控制策略研究

摘要

近年来分布式发电在电力系统中的渗透率逐渐增加，给电力系统的运行稳定带来了诸多挑战的同时，也催生了诸多先进的控制理念和技术，虚拟同步机(virtualsynchronous generator，VSG)控制技术正是其中典型应用，受到学界和业界的广泛关注，并已形成研究热点。VSG控制技术通过模拟同步发电机的电磁方程、运动方程以及调频调压控制器等特性，使得分布式发电能够具备类似同步发电机的功能。为了提供VSG所需的惯性和调频能力，通常需要增设储能单元，而如何根据VSG的储能类型（功率型、能量型）以及应用场合（并网、并柴油机、多机组网等）的不同，设计能够满足相应储能荷电状态(state of charge，SOC)控制要求的VSG控制策略，正是其中关键技术。本文主要围绕基于储能SOC控制的VSG控制策略进行研究，包括VSG的并网储能SOC控制、VSG与柴油发电机组(dieselgenerator set，DGS)组网系统SOC协调控制，以及多VSG并联系统的SOC均衡控制等几个方面进行理论分析、仿真和实验研究，本文主要研究及创新点概括如下:
　　(1)分析了VSG的基本控制原理，按照功能不同将VSG分解为模拟同步发电机的能源供给部分的储能单元以及模拟同步发电机的机械特性和电气特性的逆变单元两个部分。针对逆变单元建立了其数学模型，分别对功率控制环和电压控制环进行了相关参数设计。针对储能单元建立了典型储能器件如蓄电池和超级电容的数学模型，并根据储能单元的变换器拓扑结构对控制系统参数进行了设计。
　　(2)分析了VSG控制参数对储能SOC控制的影响，针对常规方案存在SOC控制偏差以及难以控制VSG输出频率等缺陷，提出了一种基于时间燃料最优控制理论的VSG并网SOC控制算法。改造了三阶VSG控制矩阵为二阶积分标准型，使其满足解析求解条件。通过相平面计算得到SOC最优控制轨迹，有效提高了储能SOC的控制精度，同时可限制VSG的输出频率最大偏差。分析了时间加权系数的选取对控制响应速度以及控制过程中与频率偏差对应的电能质量的的影响。
　　(3)分析了DGS的数学模型以及储能SOC的控制要求，针对负荷变化过程中储能SOC变化与系统频率变化之间的相互影响，提出了一种包含SOC控制和频率控制的VSG控制算法。为了实现SOC控制与频率控制间相互协调，引入了权重系数的概念。建立VSG系统的小信号模型，分析了不同权重系数对频率调节和SOC调节的影响，针对不同储能可用SOC对协调控制倾向性的不同要求，提出了一种可变权重系数的设计方案，提高了储能单元容量的选择范围。
　　(4)针对传统功频控制无法实现多VSG间SOC均衡的问题，对比分析了通过改进功频曲线实现SOC均衡化的两种方案，在此基础上提出了适用于VSG的综合性SOC均衡控制策略，从带载容量限制、稳态频率偏差和系统稳定性角度分析了控制参数的设计要求。针对目前研究对SOC均衡过程缺乏定量分析的不足，通过建立两机并联带载系统的数学模型，推导得到了整个SOC均衡过程的时域解析算式，从定量分析角度验证了SOC均衡策略的有效性。
　　(5)搭建了包含多台VSG以及DGS在内的分布式发电组网实验平台，设计了储能单元模拟器，并对研究方案进行了实验验证。

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摘要

第一章 绪论

1．1．1 分布式发电概述

1．1．2 分布式发电控制

1．2 VSG基本原理及组成

1．2．1 VSG技术原理

1．2．2 VSG中的储能应用

1．3．1 VSG控制研究

1．3．2 储能SOC控制研究

1．4 本文的主要工作

第二章 虚拟同步机建模及控制

2．1 VSG结构组成

2．2．1 逆变单元建模

2．2．2 功率环设计

2．2．3 电压环设计

2．3 VSG储能单元建模及控制

2．3．1 蓄电池数学模型

2．3．2 超级电容数学模型

2．3．3 储能DC／DC变换器控制

2．4 本章小结

第三章 虚拟同步机并网储能荷电状态控制

3．1 VSG功率环参数对SOC影响分析

3．1．1 控制精度影响分析

3．1．2 频率偏差影响分析

3．2 基于时间燃料最优的SOC控制

3．2．1 二次积分型时间燃料最优控制概述

3．2．2 VSG最优SOC控制

3．3 仿真分析

3．4 本章小结

第四章 虚拟同步机与柴油机组网系统荷电状态协调控制

4．1 系统组成及数学建模

4．1．1 DGS调速系统建模

4．1．2 同步发电机及励磁系统建模

4．2 组网系统频率和SOC调整特性

4．2．1 DGS有功-频率特性

4．2．2 储能有功-SOC特性

4．3 SOC协调控制策略

4．3．1 协调控制原理及分析

4．3．2 权重系数影响分析

4．3．3 自适应权重系数设计

4．4 仿真分析

4．5 本章小结

第五章 多虚拟同步机组网系统荷电状态均衡控制

5．1 VSG中SOC均衡原理

5．1．1 VSG的功频曲线特性

5．1．2 基于SOC均衡的功频特性改进

5．2 基于SOC均衡的VSG控制策略

5．2．1 算法描述

5．2．2 SOC均衡特性分析

5．2．3 稳定性分析

5．3 仿真分析

5．4 本章小结

第六章 实验验证

6．1 实验平台及储能单元模拟

6．1．1 实验平台概述

6．1．2 储能单元模拟

6．2 实验验证

6．2．1 储能模拟实验

6．2．2 VSG实验

6．2．3 SOC协调控制实验

6．2．4 SOC均衡控制实验

6．3 本章小结

第七章 总结和展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况