基于小信號模型的虛擬同步發(fā)電機穩(wěn)定性分析與設計研究.pdf

1、在全球能源危機和環(huán)境污染的背景下，可再生能源因其可開發(fā)潛力巨大和清潔環(huán)保的特點，近年來得到了快速的發(fā)展?？稍偕茉吹姆植际桨l(fā)電技術因其可靠性高，相比于大規(guī)模的風、光電站對電網(wǎng)穩(wěn)定性的沖擊小，獲得了國內外學者廣泛地關注。作為一種特殊的分布式發(fā)電系統(tǒng)，微電網(wǎng)將分布式電源、負荷、電力電子裝置、儲能等整合為一個獨立的發(fā)供電系統(tǒng)，有利于可再生能源的大規(guī)模應用，成為目前世界各國研究的熱點。微電網(wǎng)中的逆變器作為可再生能源并網(wǎng)的主要接口，其控制策略對微

2、電網(wǎng)的性能有至關重要的影響。由于傳統(tǒng)的PQ控制、Vf控制和下垂控制難以滿足微電網(wǎng)獨立自治運行的需要，越來越多的學者開始關注虛擬同步發(fā)電機的概念。本文針對虛擬同步發(fā)電機的小信號穩(wěn)定性和參數(shù)設計展開研究，主要研究內容有：
　　1.通過對下垂控制和同步發(fā)電機小信號模型的對比分析，證明了下垂控制是虛擬同步發(fā)電機的一個特例。針對下垂控制缺乏慣性，受擾后易振蕩失穩(wěn)的缺陷。參考同步發(fā)電機引入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的原理，在下垂控制中引入功率微分項進行改

3、進能夠有效抑制振蕩。建立了下垂控制引入功率微分項前后微電網(wǎng)完整的小信號模型。對比分析了控制參數(shù)與線路參數(shù)變化對兩種系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性的影響，總結了控制參數(shù)的選擇方法。進一步地進行了靈敏度分析，研究對比了微電網(wǎng)中各逆變電源狀態(tài)變量對系統(tǒng)低頻模式的參與程度，以及線路參數(shù)變化對參與因子的改變。得出結論：線路長度或阻抗比增加為系統(tǒng)提供阻尼，且越靠近該線路的逆變電源獲得的阻尼越大；且使用下垂控制時，系統(tǒng)特征根對各逆變電源的主導性更易改變。最后，通過

4、不同工況下的仿真驗證了建模、分析與結論的正確性。
　　2.設計了一種無需電流傳感器的虛擬同步發(fā)電機控制策略。控制策略包括原動機與轉子運動方程、電壓-無功控制和輸電線路功率計算方程3個主要部分。其中創(chuàng)新地采用輸電線路功率計算方程計算虛擬電磁轉矩，可以使虛擬同步發(fā)電機無需電流傳感器。建立了虛擬同步發(fā)電機的小信號模型，并結合同步發(fā)電機相關理論進行分析，系統(tǒng)性地總結了參數(shù)設計的方法。主要結論如下：虛擬同步發(fā)電機的同步轉矩與濾波器參數(shù)、輸電

5、線路參數(shù)、電壓-無功控制環(huán)節(jié)的電壓增益、無功增益有關，且無功增益相比于電壓增益對同步轉矩的影響更大；阻尼轉矩與轉子方程阻尼系數(shù)、原動機頻率下降系數(shù)有關。慣性時間常數(shù)增加將同時減少虛擬同步發(fā)電機的阻尼和振蕩頻率。虛擬同步發(fā)電機的輸出電壓與無功功率的關系則與電壓增益和無功增益有關。最后通過多種參數(shù)工況下的仿真實驗驗證了所總結的參數(shù)設計方法的正確性。
　　3.設計了一種與同步發(fā)電機具有一致響應的虛擬同步發(fā)電機控制策略，控制器包括：原動機

6、與轉子運動方程、虛擬勵磁控制、虛擬電磁暫態(tài)控制、雙PI控制器幾個部分。建立了一致性虛擬同步發(fā)電機的小信號模型。通過分析發(fā)現(xiàn)，一致性虛擬同步發(fā)電機的部分控制參數(shù)和電路參數(shù)對系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性的影響也符合“虛擬同步發(fā)電機的同步轉矩與濾波器參數(shù)、輸電線路參數(shù)有關，阻尼轉矩與轉子方程阻尼系數(shù)、原動機頻率下降系數(shù)有關”的結論。同時對重新設計的虛擬勵磁控制環(huán)節(jié)和雙PI控制器參數(shù)的設計方法進行了研究，得出了參數(shù)設計的方法。最后通過仿真實驗驗證了一致性虛