虚拟同步机状态空间建模及稳定性分析

摘要

随着可再生能源发电的日益普及，新型分布式发电模式正逐步替代传统集中发电模式，光伏、风电等分布式电源通过电力电子装置大量并网，推动了电力电子化电力系统的发展。然而，分布式能源并网存在低惯量、弱阻尼的问题。实现分布式电源和电网的友好交互，是全球能源互联网进程中的重要课题。　　为解决电力电子化电力系统惯性和阻尼不足的问题，虚拟同步机控制策略备受关注。VSG可以支撑电网频率和电压、维持系统功率平衡，便于借鉴传统同步发电机的控制策略、分析方法和运行经验，有助于分布式电源的友好接入。VSG模拟了传统同步发电机的外特性，但VSG与传统同步发电机并不能完全等价，因此，研究VSG的数学模型、动态性能及其优化具有重要的工程意义。　　为得出VSG的控制结构，本文首先研究了传统同步机的频率调节和电压调节机理，分析了其调速器和励磁器的运行原理。基于此，介绍了两种电力电子系统模拟同步发电机的实现方案，即下垂控制策略和VSG控制策略。最后，详细推导了实现VSG的具体方案，建立了VSG和传统同步机之间的等效关系。　　本文引入了一种基于状态空间的小信号建模方法，建立了基于VSG控制的逆变器的全阶小信号状态空间模型，并基于某三机VSG并联系统验证了所述建模方法的正确性。　　VSG控制策略依托数字控制技术实现，存在着数字控制固有的延时问题。本文论述分析了控制延时的成因，进而将延时环节引入VSG小信号状态空间建模，形成延时修正模型。基于此，结合特征值轨迹和参数灵敏度，分析了系统多个参数对稳定性产生的影响。　　最后，为减缓控制延时对系统产生的影响，将无差拍思想引入VSG控制策略，形成了带有无差拍功率预测控制的虚拟同步机策略。该策略基于当前采样时刻的系统状态，对下一采样时刻的系统输出功率进行预测，进而基于预测功率对系统进行控制。仿真验证了该策略的可行性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 智能电网逆变器控制技术研究现状

1.3 虚拟同步机技术研究现状

1.3.1 VSG 主要技术路线

1.3.2 VSG 稳定性分析

1.4 电力电子系统控制延时研究现状

1.4.1 控制延时对系统稳定性的影响

1.4.2 延时补偿方法

1.5 本文主要研究内容

第2章虚拟同步机的基本原理和实现方法

2.1 传统同步发电机的频率调节和电压调节

2.1.1 传统同步发电机的频率调节和电压调节机理

2.1.2 同步发电机的二阶机电暂态模型

2.1.3 调速器的运行机理

2.1.4 励磁器的运行机理

2.2 电力电子系统模拟传统同步发电机的两种方案

2.2.1 电力电子系统模拟传统同步发电机

2.2.2 下垂控制策略

2.2.3 虚拟同步发电机控制策略

2.3 VSG 的实现方法研究

2.3.1 VSG 系统概述

2.3.2 VSG 频率调节的实现

2.3.3 VSG 电压调节的实现

2.3.4 VSG 系统与传统同步发电机的等效关系

2.4 本章小结

第3章虚拟同步机小信号状态空间建模方法研究

3.1 基于状态空间的小信号稳定性分析方法

3.1.1 状态方程的建立

3.1.2 方程线性化

3.1.3 特征值和稳定性

3.1.4 参与度分析

3.2 单机虚拟同步机系统的小信号状态空间模型

3.2.1 物理环节

3.2.2 数字控制环节

3.2.3 单台 VSG 逆变器的完整模型

3.3 多机虚拟同步机系统的小信号状态空间模型

3.3.1 多机 VSG 并联运行系统描述

3.3.2 公共参考系下的 VSG 单机模型推导

3.3.3 线路及负载模型推导

3.3.4 多机虚拟同步机并联系统完整模型

3.4 模型验证

3.5 本章小结

第4章考虑控制延时影响的VSG 稳定性分析

4.1 控制延时形成机理和延时环节的近似

4.1.1 控制延时形成机理

4.1.2 延时环节的近似

4.2 VSG单机系统延时修正模型及稳定性分析

4.2.1 VSG单机系统延时修正模型

4.2.2 延时时间对 VSG单机系统稳定性的影响

4.3 VSG多机并联系统稳定性分析

4.3.1 下垂系数对 VSG多机并联系统稳定性的影响

4.3.2 控制延时对 VSG 多机并联系统稳定性的影响

4.4 基于无差拍功率预测的 VSG 延时补偿方法

4.4.1 无差拍控制的基本原理

4.4.2 基于无差拍思想的功率预测控制器设计

4.5 实证分析

4.5.1 考虑控制延时影响的 VSG 系统稳定性实证分析

4.5.2 基于无差拍功率预测的 VSG 延时补偿方法实证分析

4.6 本章小结

结 论

参 考 文 献

附录A 攻读学位期间获得的研究成果

致谢