基于虚拟同步发电机的微网稳定性分析与控制策略研究

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在电能系统的分布式和电子化发展趋势下,微网中各类分布式发电单元经电力电子变换器接入电网。然而,分布式发电单元渗透率增加,电力系统中的旋转备用容量以及转动惯量相对减少,导致电网稳定性问题越发严峻。若在并网逆变器中采用虚拟同步发电机控制技术,可使分布式发电单元模拟同步机的惯量和阻尼特性及运行特性,增强系统的频率和电压的支撑能力。本文基于并网逆变器的虚拟同步发电机控制技术,分析了其控制参数对分布式发电单元功频特性的影响,提出改进的参数自适应控制策略,以提高电力系统的稳定性。具体研究内容如下:(1)本文以同步发电机的电气和机械等效数学模型为基础,构建了虚拟同步发电机的模型,设计了虚拟同步发电机的有功功率控制模块和无功功率控制模块,分析了虚拟惯量和阻尼系数两个核心控制参数对系统的频率和输出有功功率的动态响应的影响。(2)针对微网并网运行时参数选择不当时频率和输出有功功率的振荡问题,推导了虚拟同步发电机的功频特性小信号模型,提出了改进的虚拟同步发电机参数自适应控制策略。该控制策略可以根据微网的实时运行状态连续且自适应地改变虚拟惯量和阻尼系数,抑制频率和有功功率的振荡,改善系统频率和输出有功功率的动态响应,提高微网的稳定性。仿真算例验证了所建模型的准确性和所提控制策略的的正确性和有效性。(3)针对微网孤岛运行时惯量和阻尼不足的问题及有功功率按比例分配的需求,提出了适用于孤岛微网的虚拟同步发电机参数自适应控制和解耦控制策略。该控制策略可以保证稳定运行时各台虚拟同步发电机输出有功功率按比例分配,同时改善系统受到扰动时频率和输出有功功率的动态响应。(4)针对现有虚拟同步发电机稳定性分析方法不能反映系统变化的本质和稳定裕度的问题,构建了含有多台虚拟同步发电机并联运行的微网能量函数,设计了基于能量函数的参数自适应控制策略。该控制策略可以通过系统能量直观定量评估微网的稳定性和稳定域,同时可以抑制发生大扰动或故障后系统能量的增长,降低故障对系统的损害,为故障切除争取了更多有效时间,提高微网的暂态稳定性。通过仿真验证了自适应控制策略的实用性和有效性。
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