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中国电机工程学报 2017年第02期杂志 文档列表

中国电机工程学报杂志虚拟同步机理论分析与发展

虚拟同步机与自主电力系统336-348

摘要：现在,越来越多的可再生能源、电动汽车和储能系统需要通过电力电子变换器接入电网,同时,大部分的负荷也需要通过电力电子变换器接入电网。该文概要地介绍如何把这些电源侧和负荷侧的电力电子变换器控制成为虚拟同步机,以及以此为基础实现的由同步机同步机制统一的自主电力系统,从而为智能电网接入提供一个统一的接口机制,使得新能源和负荷能象常规电源一样参与电网调节。虚拟同步机有不同的实现方式,该文着重介绍按电压源运行的具有常规同步机内部机理和外部特性的同步变流器技术及其应用。

虚拟同步机技术在电力系统中的应用与挑战349-359

摘要：虚拟同步机技术是通过模拟同步机组的机电暂态特性,使采用变流器的电源或负荷具有同步机组的惯量、阻尼、频率和电压调整等运行外特性的技术。虚拟同步机技术伴随清洁能源装机数量显著增加,而成为当前并网技术研究的热点。论述了近年来国内外的研究成果,在虚拟同步机技术分类、功能、控制方法等方面介绍了虚拟同步机相关概念,从光伏虚拟同步发电机、风机虚拟同步发电机、储能虚拟同步机和负荷虚拟同步机四个方面,结合实际工程介绍了其主要的应用方式。因虚拟同步机技术的实现载体是电力电子装置,特别介绍了参数设计和稳定性相关研究进展。最后,总结当前存在的问题和发展前景。

一种直流微网双向并网变换器虚拟惯性控制策略360-371

摘要：针对直流微网中母线电压易受微网内部功率波动影响,通过类推交流微网中虚拟同步发电机的虚拟惯量,提出了一种直流微网双向并网变换器（bidirectional gridconnected converter,BGC）虚拟惯性控制策略,增强了直流微网的惯性,平抑了直流母线电压波动。建立BGC虚拟惯性控制小信号模型,推导出直流母线电压与BGC直流侧输出电流之间的小信号传递函数,深入分析直流微网功率突变下的系统动态特性,发现BGC直流侧输出电流相当于扰动量,会对直流母线电压的动态响应过程产生冲击性影响。对此,提出了BGC的直流侧输出电流前馈扰动抑制方法,平滑了直流母线电压的动态响应。分析了BGC系统的稳定性,选取了合适的BGC虚拟惯性控制参数。最后,仿真与实验验证了所提控制策略的有效性。

孤岛微网中虚拟同步发电机不平衡电压控制372-380

摘要：在孤岛微网中,逆变器采用虚拟同步发电机（virtual synchronous generator,VSG）控制后,有利于提升微网的电压和频率稳定;但现有的VSG控制策略,带不平衡负荷的能力差,降低了供电电压品质。建立了VSG的数学模型,分析了输出电压不平衡的产生机理和抑制措施。基于正序和负序网络阻抗的独立解耦控制,提出一种抑制负序电压的控制方法。采用复系数滤波器快速检测负序电流,利用复系数比例积分控制器实现电压跟踪。研究了滤波器和控制器关键参数的设计方法,实现VSG对正序和负序输出电压的独立控制,便于其正序和负序阻抗的定制化控制。通过对一台VSG样机进行实验,验证了所提控制策略的正确性和有效性,为VSG的运行控制提供了一种新思路。

虚拟同步发电机的功率动态耦合机理及同步频率谐振抑制策略381-390

摘要：随着新能源并网的增加,现有并网逆变器采用的直接电流控制无法有效跟踪电网电压。虚拟同步发电机（virtual synchronous generators,VSG）技术通过模拟同步发电机运行机制,改善了系统稳定性,成为解决分布式电源高渗透率问题的有效方案之一。然而,虚拟同步发电机存在同步频率谐振现象,容易引发功率振荡,导致系统不稳定。该文分析电磁磁链的动态过程;通过建立虚拟同步发电机的宽频域功率动态耦合模型,发现有功–无功的功率耦合效应会加剧同步频率谐振;基于同步频率谐振的产生机理,采用有源阻尼控制的策略能有效抑制该谐振问题。最后,通过搭建实验平台,验证虚拟同步发电机中的同步频率谐振现象、有功–无功动态耦合效应正确性及阻尼抑制策略的有效性。

基于同步逆变器的微电网二次调频策略及特性分析391-402

摘要：同步逆变器技术在分布式电源并网及微电网的应用得到广泛关注。针对基于多台同步逆变器并列运行的微电网,对等下垂控制策略适用于一次调频控制,当负荷突增或发电功率突降造成微电网总体功率不足进而频率越限时,需要采用二次调频控制,重新确定系统的有功功率–频率平衡点。文章提出了无需通信系统的3种二次调频策略,通过调节可调逆变器的下垂控制曲线,实现在线自动二次调频控制。分别针对3种策略,提出定值在线整定方法,比较了最大定值对最大输出功率的灵敏度及调频动态性能,在此基础上分析了微电网的有功功率–频率特性。最后,用Matlab/Simulink仿真平台搭建包含4台同步逆变器、3个负载的微电网仿真模型,验证了所提策略的有效性。

电网对称故障下虚拟同步发电机建模与改进控制403-411

摘要：虚拟同步发电机（virtual synchronous generator,VSG）是近些年新发展的电力电子装备,可为电网提供惯性和动态频率支撑。直接电压式虚拟同步发电机直接通过脉宽调制（pulse width modulation,PWM）产生内电势,无内电流和交流电压控制环,具有更好的动态支撑能力及稳定性;但当电网发生对称短路故障时,直接电压式虚拟同步机无法抑制故障电流,这将危及VSG的安全并限制了直接电压式虚拟同步控制的发展与应用前景。该文将虚拟电阻与相量限流方法相结合,在保证VSG正常运行频率、电压动态支撑的前提下,提出适用于直接电压式VSG的故障电流限制方法。仿真和实验结果证明了所提出的故障电流限制方法的可行性与有效性。

多微源独立微网中虚拟同步发电机的改进型转动惯量自适应控制412-423

摘要：多微源独立微网中,传统下垂控制的输出频率动态响应速度快,虚拟同步发电机（virtual synchronous generator,VSG）控制可改善频率响应特性,但无法兼顾功率和频率的动态调节性能。针对此问题,提出一种改进的转动惯量自适应控制（improved adaptive control of inertia,IACI）。首先,在同步旋转坐标系下建立VSG数学模型,并分析转动惯量对VSG输出特性的影响;其次,在VSG控制的基础上通过在转动惯量控制中引入频率变化量形成VSG转动惯量自适应控制,并给出频率跟踪系数、转动惯量和阻尼系数等参量的整定方法;最后利用Matlab/Simulink对比VSG控制和IACI控制在VSG并入微网和负载扰动条件下的有功和频率响应曲线,在由两台1k W的VSG组成的独立微网实验平台上进行实验验证,结果表明所提控制策略可避免VSG并入微网过程中的有功振荡,且可以有效优化频率响应曲线。

基于虚拟同步电机的交直流混合微电网控制策略424-432

摘要：交直流混合微电网中,由一台或多台联络换流器（interfacing converter,IFC）实现交、直流网络之间的能量传递,分布式电源的效率以及系统的稳定性很大程度取决于IFC的控制策略。传统基于电压环、电流环结构的IFC控制策略存在弱电网下稳定性差、需要交流电源提供参考正弦电压等问题。针对这些问题,该文利用直流网络电压与虚拟转速归一化后的差值作为虚拟机械力矩,提出一种基于虚拟同步发电机技术的IFC控制策略。通过建立其小信号模型来证明所提控制策略的稳定性对参数的选取不敏感,有较强的鲁棒性。最后,利用PSCAD/EMTDC在孤岛情况下对所提算法进行测试,测试结果表明,所提算法能有效改善被动孤岛过程中的动态性能,同时能较好地实现交、直流电源输出功率分配以及联络换流器之间的均流。

中国电机工程学报杂志虚拟同步机的应用

具备同步电机特性的级联型光伏发电系统433-443

摘要：为了提高光伏发电系统的整体效率和并网友好性,提出了一种具备同步电机特性的级联型光伏发电系统,光伏阵列和储能单元分别接入级联型逆变器的直流端口。研究了基于虚拟电机控制的并网控制策略,能兼顾光伏效率和系统同步电机特性。直流端口电压的独立控制实现了各光伏阵列独立的最大功率点跟踪;整体功率协调控制使储能作为功率缓冲单元,保证了系统功率平衡;虚拟电机控制使系统具备同步发电机的惯性与阻尼特性,能平抑光伏随机性功率波动,并响应电网频率变化,按下垂特性调整输出功率。仿真和实验结果验证了所提系统和控制策略的正确性和有效性。

应用于光伏微网的一种虚拟同步发电机结构及其动态性能分析444-453

摘要：可再生能源、分布式发电和微电网技术长期以来受到广泛关注,传统的并网逆变器控制策略没有考虑其惯性缺失导致频率变化率过快的问题,因而采用虚拟同步发电机策略模拟同步机特性,提升新能源并网发电的备用旋转惯量。对于光伏微电网,当前大多数的虚拟同步机方案将光-储结合结构作为直流侧,其性能的实现仅需要控制逆变器模拟同步机特性即可。该方案控制策略简单,但具有硬件结构复杂、不灵活的缺陷。文章介绍了一种光伏微电网中的虚拟同步发电机结构的应用以及相应控制策略,并研究其动态性能,该结构灵活可靠、易于扩展。仿真和实验证明了该结构及相应的控制策略能在光伏功率波动和负载变化时稳定母线频率,提升微电网的动态性能。

考虑源端动态特性的光伏虚拟同步机多模式运行控制454-463

摘要：分布式光伏发电主要以最大功率跟踪（maximum power point tracking,MPPT）方式并网运行,缺乏离网运行能力,且难以为电力系统提供有利于系统稳定的惯量和阻尼。虚拟同步机（virtual synchronous generator,VSG）因集成了传统同步机的运行机制以及电力电子设备控制灵活、响应迅速等优势,备受分布式发电领域专家的关注。结合虚拟同步机技术,并考虑光伏电源的时变性和有限性,提出了计及光伏电源动态特征的光伏虚拟同步机（photovoltaic VSG,PV-VSG）及其控制策略。根据光伏出力曲线与特征值分析得到光伏电源稳定运行区域;设计了光伏电源附加控制策略,可防止因光伏电源最大可用功率不足而造成的直流电压跌落,以保证PV-VSG直流侧电压稳定,并可根据负载或调度功率需求提供最有效的功率匹配。所提控制策略可使光伏电源直接通过虚拟同步发电机接入,并实现了离网与并网的灵活可靠运行。仿真分析与实验测试结果均验证了所提控制策略的有效性。

一种电网友好型光储分布式电源控制策略464-475

摘要：提出一种电网友好型光储分布式电源,采用具有惯性环节的虚拟同步机（virtual synchronous generator,VSG）控制方法作为与电网的接口,并提出了电网频率自适应控制策略,根据电网频率变化区间自适应选择三种运行模式：离网运行模式、并网发电模式、频率调节模式。针对这3种运行模式,分析了虚拟同步发电机的有功–频率环节的传递函数以及虚拟转动惯量对暂态稳定性的影响。为了提高系统并网运行时的暂态稳定性,构造了系统的暂态能量分析函数,分析了扰动发生后系统的暂态能量变化过程,并提出了一种虚拟转动惯量动态调节方法优化系统的暂态控制过程。在搭建的Matlab/Simulink仿真模型中分析了所提的控制策略和方法,并在搭建的10k W VSG实验平台中验证了所提方法的正确性和可行性。

具有自主电网同步与弱网稳定运行能力的双馈风电机组控制方法476-485

摘要：随着风电的高比例并网以及大型风电机组的分散接入,电网对风电不再具备强电气支撑作用,进而引发一系列并网稳定问题,如谐波振荡、次同步振荡和低频振荡等,这是由于风电变流器所采用的电流矢量解耦控制需要电网提供强电压支撑才能稳定控制电流所致,弱网下难以稳定。此外,风电并入弱网还需具备一定的自主组网与电网支撑能力,如自主惯量响应等。为此,该文围绕弱网稳定运行与自主电网同步两个核心问题提出了一种双馈风电机组的新型控制方法。具体地,机侧变流器采用基于转子磁链自定向的虚拟同步控制方法;对网侧变流器提出一种新型的惯性同步控制方法,依据动力学系统相似性原理,利用直流母线电压固有动态直接实现网侧变流器的无锁相环电网同步控制,该方法较虚拟同步控制模型阶数更低且更易稳定。经以上控制后,双馈风电机组的定子侧和转子侧外特性分别等效为2台同步机。在PSCAD/EMTDC仿真软件中构建2MW双馈风电机组暂态模型,详细分析了该控制下双馈风电机组的启动、柔性并网过程、自主惯量响应以及最大风能捕获等相关特性,仿真结果表明提出的控制方法具有较好的弱网稳定运行与发电特性。

高渗透率下变速风力机组虚拟惯性控制的研究486-495

摘要：由于双馈感应发电机的电力电子变换器将风机转速和电网频率进行了解耦,导致其对电力系统的惯性控制几乎没有任何贡献。随着风电场在电网中的渗透率的不断提高,这种电网频率的波动会越来越明显。为了能够将＂隐藏＂在双馈感应发电机中的惯性进行有效的利用,将双馈感应发电机的旋转质量块和并联在转子侧变换器和电网侧变换器之间的超级电容器同时作为虚拟惯性源,并采用自适应模糊控制策略来进行控制。通过在实时仿真平台RT-LAB上对不同比例的风电装机容量的电力系统进行实验分析。与其他控制方法进行对比发现,当系统负荷突然发生变化后,所提出的混合虚拟惯性控制法能够迅速地提供有功功率支持,并能在频率误差减少后很快地恢复到MPPT状态。

具有频率实时镜像和自主电网同步能力的风场–柔直系统控制方法496-505

摘要：大型海上风电采用柔性直流（voltage source converter based HVDC,VSC-HVDC）并网是未来的发展趋势。VSC-HVDC采用基于锁相环（phase-locked loop,PLL）同步并网的电流矢量控制方式,体现为无惯量的电流源。对此,该文提出一种新型柔直换流站惯性同步控制方法,在受端换流站利用直流母线电容固有动态特性实现无锁相环自主电网同步控制,使得VSC-HVDC的直流母线电压与大电网频率具有实时联动特性,通过送端换流站的频率镜像控制可将电网频率实时镜像到风场侧,便于风场进行惯量响应。在该控制方式下,VSC-HVDC受端站体现为具有风场与直流系统惯量的同步机,大幅提高风电场对电网的适应性和支撑作用。基于PSCAD/EMTDC仿真软件建立大型海上风电场经柔直并网的仿真分析系统,对新型控制方法下风电场柔直并网系统的惯量响应和并弱网稳定性进行分析,验证所提控制方法的有效性。

基于储能物理约束的虚拟同步机运行边界研究506-515

摘要：由于微网中的高渗透率分布式电源无法为系统提供足够的惯量和阻尼,给系统的频率稳定性造成了极大的影响。虚拟同步机可通过控制使分布式电源并网变换器表现同步机的特性,储能是实现虚拟同步机为系统提供惯量和阻尼的物理基础,但储能的容量受限于环境和投资等因素。为获得储能对虚拟同步机系统的物理约束及其运行边界,该文建立虚拟同步机的小信号模型,基于此模型提出储能物理约束的计算方法。通过分析虚拟同步机输出不同无功功率时的动态特性,得到储能约束下的虚拟同步机运行边界。通过对不同惯量和阻尼下虚拟同步机的动态响应特性的分析,获得惯量和阻尼影响物理约束的机理。最后,通过PSCAD/EMTDC中搭建的仿真模型验证理论分析的正确性。

独立微电网中基于自适应权重系数的VSG协调控制策略516-524

摘要：该文对以柴油发电机组（diesel generator set,DGS）为主源的独立微电网中带有储能单元的变流器控制策略进行研究。变流器采用虚拟同步机（virtual synchronous generator,VSG）控制算法,有功功率指令值由频率控制模块和荷电状态（state of charge,SOC）控制模块两部分组成,并引入自适应权重系数以协调上述两种控制的分配比例。当储能SOC越接近预设值时,增加频率控制占比,提高VSG对微网频率波动的抑制能力,反之当SOC越偏离预设值时则增加SOC控制占比,提高维持SOC的能力,避免储能装置过充或过放。通过建立小信号模型从稳定性和动态响应两方面确定了权重系数的取值范围,最后搭建100k W独立微电网平台,通过仿真和试验验证了提出策略的有效性。