虚拟同步机转动惯量自适应控制方法研究

摘要

近年来以可再生能源为主的分布式发电以其清洁高效的优点在社会发展中受到极大关注和重视，并逐渐成为了供电系统中的重要组成部分，其中太阳能、风能等大多数分布式能源需要通过交-直-交或直-交电力电子变换器接口向微电网或电网输送功率。由于分布式发电具有分散性、间歇性和实时波动等特点，同时并网逆变器本身无法为电力系统提供支撑频率稳定的旋转惯量，分布式发电在电力系统中渗透率的升高将对电网运行的稳定性造成威胁。　　虚拟同步机控制作为一种新型的并网逆变器控制策略正是在该背景下产生的，通过该控制分布发电系统可以自主参与电网调节，且能有效解决分布式电源低惯量、欠阻尼等问题。考虑到虚拟同步机参数选取灵活，但动态特性慢并受制于储能系统性能等因素，本文在Synchronverter虚拟同步机的基础上研究了一种能优化频率响应曲线的惯量自适应的改进型虚拟同步机控制。　　本文首先根据同步发电机的机械方程、电磁暂态方程和磁链方程等建立同步发电机数学模型，在该模型基础上引入频率和电压下垂控制从而获得Synchronverter虚拟同步机控制；介绍了虚拟同步机所采用的并网逆变器拓扑结构，并对虚拟同步机控制的有功-频率环和无功-电压环的频率和电压调节机制、自同步控制策略以及运行模式之间的切换控制进行了详细地介绍。　　其次详细分析了Synchronverter虚拟同步机的控制参数：有功-频率环的J和Dp、无功-电压环的K和Dq对系统功率、频率、电压响应的速度和系统稳定性的影响，得出转动惯量J对系统有功功率和频率变化率调节之间存在的矛盾，即无法兼顾功率和频率的动态调节性能；并对虚拟同步机自同步控制参数的影响和电压跟踪机理进行了详细分析。　　针对固定转动惯量存在的矛盾，探讨了转动惯量与虚拟惯性功率之间的关系，得出虚拟同步机配置的储能系统的功率和能量约束表达式；根据第3章分析的转动惯量对系统功率和频率的动态调节性能的影响并结合转动惯量与频率变化率之间的关系提出了一种转动惯量自适应的虚拟同步机控制。　　最后通过仿真验证了虚拟同步机的自同步、功率输出、调频调压等过程的动态特性，以及控制参数影响和所提的转动惯量自适应控制，仿真结果与理论分析一致；搭建了小功率型虚拟同步机实验平台，实验结果进一步证实了理论分析与仿真结果的正确性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 分布式并网逆变器控制的研究现状

1.2.1 恒功率控制

1.2.2 恒频恒压控制

1.2.3 下垂控制

1.3 虚拟同步发电机技术

1.3.1 虚拟同步发电机定义

1.3.2 虚拟同步发电机研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 虚拟同步机控制方案设计

2.1 同步发电机数学模型

2.2 虚拟同步机拓扑结构与控制

2.3 虚拟同步机有功频率和无功电压特性

2.3.1 虚拟同步机有功-频率控制

2.3.2 虚拟同步机无功-电压控制

2.4 虚拟同步机并网预同步控制

2.4.1 含锁相环的并网预同步控制

2.4.2 自同步控制

2.4.3 虚拟同步机的运行模式切换

2.5 仿真验证

2.5.1 仿真环境和仿真参数

2.5.2 自同步动态过程仿真结果

2.5.3 有功频率和无功电压特性仿真

2.6 本章小结

第3章 虚拟同步机控制参数分析及其整定方法研究

3.1 功率计算等效分析

3.2 有功-频率环参数分析

3.2.1 系统有功功率响应

3.2.2 频率响应

3.3 无功-电压环参数分析

3.4 系统稳定性及参数设计分析

3.5 电压同步机理及控制参数影响分析

3.5.1 频率、相位跟踪

3.5.2 幅值跟踪

3.6 仿真验证

3.7 本章小结

第4章 虚拟同步机转动惯量自适应控制

4.1 虚拟惯性功率

4.2 储能系统物理约束

4.3 转动惯量自适应控制

4.3.1 系统惯性与频率变化率

4.3.2 自适应转动惯量表达式

4.3.3 改进后的虚拟同步机控制

4.4 仿真验证

4.5 本章小结

第5章 虚拟同步机实验系统搭建与验证

5.1 实验系统搭建

5.1.1 整体实验平台

5.1.2 LCL滤波电路

5.1.3 信号处理电路

5.1.4 核心控制器

5.1.5 驱动电路

5.1.6 软件设计

5.2 实验结果及其分析

5.2.1 信号采样、调理

5.2.2 驱动波形及输出电压

5.2.3 自同步过程

5.2.4 电网调节动态过程

5.2.5 自适应转动惯量控制实验结果

5.3 本章小结

结 论

致 谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及科研成果