新型电力系统的全能型静止同步机优化配置

提出一种用于提升频率和静态电压稳定性的全能型静止同步机优化配置方法。首先,推导出频率稳定的约束解析表达式,并基于奇异值理论建立系统静态电压稳定约束,建立考虑频率和静态电压稳定约束的全能型静止同步机优化配置模型;然后,将全能型静止同步机优化配置模型分解为选址定容主问题和稳定裕度计算子问题,通过主问题和子问题的交替求解实现最优解的近似逼近;最后,在一个修改的IEEE 39节点系统中进行测试,验证了所提方法的有效性。

新能源同步机对光伏发电系统静态电压稳定性的提升作用研究

传统同步电源被电力电子并网变流器大量替代导致新能源电网无功裕度不足、静态电压稳定性降低,并网点电压失稳甚至崩溃的现象愈发明显。针对上述问题,本文以光伏发电系统为例,研究其采用新能源同步机(motor-generatorpair,MGP)的并网方式对系统静态电压稳定性的提升作用。首先介绍了MGP系统的原理并分析其功率传输特性;然后,基于能够反映节点电压和潮流关系的V-Q和P-V曲线法从理论上揭示了MGP系统能够增加无功裕度以提高静态电压稳定性;最后,在PSCAD/EMTDC软件中分别建立了光伏直接带负载和经MGP带负载的电磁暂态仿真模型,通过在相似的网络结构下设置不同典型功率因数的负荷变化,结合V-Q/P-V的响应特性对比得出两类系统的失稳电压、无功/电压裕度和电压降落等典型指标。结果表明光伏采用MGP系统并网后,系统的静态电压稳定性得到了显著提升。

一种基于数字孪生的虚拟同步机与静止同步补偿器优化协调控制策略研究

当电网发生严重不平衡电压跌落时,虚拟同步机通常配置静止同步补偿器应对电压支撑不足、电流越限等问题。在实际应用中同步机和补偿器之间的协调控制严重依赖实时通信。因此,文章提出了一种基于数字孪生技术的虚拟同步机和静止同步补偿器的优化协调控制策略。首先,建立基于正负序电流控制结构,支撑新能源场站并网点的电压。其次,提出了改进的多目标协调控制策略,实现电压支撑、电流限制和有功功率输出等多个控制目标。再次,建立基于数字孪生的虚拟同步机与静止同步补偿器协调控制模型,应对现实中协调控制通信延时问题。最后,通过使用MATLAB仿真平台,验证了该方法的有效性。

虚拟同步机控制策略下的STATCOM相间电容电压平衡方法研究

针对基于直挂式级联H桥拓扑结构的静止同步补偿器在运行时产生的相间电容电压不平衡的问题,本文在虚拟同步机的控制策略基础上提出了一种平衡相间电容电压的方法。虚拟同步机具有响应速度快的优点,但用于静止同步补偿器来作无功补偿时会产生相间电容电压不平衡的问题。因此本文首先引入电容电压平均值来完成虚拟同步机的快速并网,其次将虚拟同步机算法的无功调节分为3部分来实现分相无功补偿,再在电压合成前引入电容电压平均值作反馈,以实现相间电容电压平衡。最后在Matlab/Simulink环境下搭建仿真模型,验证了所提控制策略能有效解决相间电容电压不平衡问题,并且仿真结果表明所提控制策略具有良好的动态响应特性。

一种提高虚拟同步机电流质量的电压-电流级联闭环控制方案

当虚拟同步机(VSG)接入畸变电网时,其输出电流质量恶化。现有基于公共耦合点(PCC)电压采样的各种谐波治理方案受限于线路阻抗的大小而抑制效果不佳。为此,该文提出一种电压-电流级联闭环控制策略实现了VSG基波电压和线路谐波电流的协调闭环控制。在基波频率下,VSG跟随功率控制回路的基波电压指令实现功率传输;在谐波频率下,通过单个一阶复矢量滤波器对谐波电流总和进行整体提取,并采用闭环输出谐波电压补偿的参考量,从而等效增强了谐波电压补偿量的参考信号,大幅提升了VSG输出电流的谐波抑制效果。相比于现有方案,该方法克服了由于线路阻抗过低而抑制效果不佳的问题,能在不增加额外电感器件的条件下提高VSG在畸变电网下的输出电流质量。最后,该文搭建15 kW的样机进行实验,并与现有的三类方法进行对比,较为全面地验证了该方法的有效性且增强了谐波的抑制效果。

NPC三电平虚拟同步机桥臂故障容错模型预测控制

虚拟同步机VSG(virtual synchronous generator)通过模拟同步机特性为新能源并网提供惯性和阻尼。然而,电力电子开关器件高频开关过程中可能会发生断路故障,导致输出电流波形严重畸变,影响电网安全稳定运行。针对中点箝位型NPC(neutral point clamped)三电平VSG桥臂故障问题,提出一种中点电压均衡的VSG容错模型预测控制策略。分析NPC三电平VSG单相桥臂故障后运行机理,在开关器件故障后利用直流侧电容组成虚拟桥臂,重构为VSG桥臂故障容错结构。建立故障情况下预测电流模型,重构故障状态空间电压矢量,将直流侧中点电容电压引入容错模型代价函数,减小电容电压波动,实现VSG桥臂故障容错运行。实验结果表明,在开关器件发生故障后,NPC三电平VSG能容错连续运行,验证了所提模型预测容错控制策略的有效性,提高了VSG运行可靠性。

基于阻尼功率调整的虚拟同步机有功功率控制方法

针对虚拟同步机控制技术中阻尼系数的引入无法同时抑制输出有功的暂态震荡和稳态偏差的问题,提出了一种基于阻尼功率调整的虚拟同步机有功功率控制方法。首先分析了常规虚拟同步机有功功率控制存在的主要问题,然后在常规控制策略中增加了一个比例积分控制器,用于调整阻尼功率,使暂态阻尼功率不为零,实现有功功率震荡和超调的抑制,同时使稳态时阻尼功率为零,实现有功功率稳态偏差抑制。Matlab/Simulink仿真结果验证了所提方法的有效性。

基于动态虚拟电抗的虚拟同步机系统有功环电压动态补偿策略

为解决新型电力系统中的虚拟同步机(Virtual synchronous generator,VSG)在电网电压跌落时出现的功角暂态失稳和过电流问题,对采用VSG控制的并网换流器暂态控制策略进行了改进。为降低故障期间有功功率的参考值进而实现VSG的功角暂态稳定控制,根据VSG的功角特性、有功功率参考值与功角稳定性之间的关系,引入电压动态补偿,并利用相图曲线理论分析了控制策略参数选取对暂态稳定的影响。为限制故障发生瞬间和故障切除瞬间的冲击电流、保证故障期间VSG系统的暂态功角稳定、实现故障限流,提出了一种以指数形式变化的虚拟电抗模型,确定了虚拟电抗的投切参数。仿真实验结果验证了改进策略的有效性。

风电虚拟同步机技术与应用研究

文中给出了几种典型的风电虚拟同步机技术方案,对各方案实现机理及效果进行了分析,为风电虚拟同步机工程应用提供了可行方案;最后总结了不同风电虚拟同步机方案的仿真及工程试验效果。结果表明:依据不同风场的实际需求选择相应的技术方案,风电虚拟同步机技术能够给电网频率和电压的稳定提供有效支撑。

虚拟同步机关键参数分析与设计

虚拟同步机在其有功-频率控制器与无功-电压控制器的作用下,能够参与到电网的调频调压过程。该文分析了虚拟同步机的控制参数对系统的影响,具体分析了有功功率环路与无功功率环路之间的耦合关系,并给出虚拟惯量J、有功下垂系数D_(p)、无功惯性系数K与无功下垂系数K_(q)等控制参数的设计方法。最后,通过Matlab/Simulink仿真验证了该设计方法的正确性。

平衡频率与功率振荡的虚拟同步机惯量阻尼参数优化控制

虚拟同步机为系统提供了惯量与阻尼支撑,但同时会带来类似传统同步发电机的频率和功率振荡问题。频率的振荡伴随着有功功率的振荡,现有虚拟同步机(VSG)控制方法大多着眼于提高系统频率稳定性,而忽略了功率振荡的问题。为此,提出一种虚拟同步机惯量阻尼参数优化控制策略,以频率偏差和有功功率偏差平方和最小为目标函数,采用遗传算法对新构建的目标函数进行最小值寻优;结合具体算例验证优化方法,建立孤网运行的双机并联的虚拟同步机系统模型。基于此模型,采用PSCAD时域仿真对分析和提出的优化方法进行验证,达到频率和输出有功功率振荡平衡、系统具有更好的频率和功率振荡的目的。

多虚拟同步机系统的自适应滑模变结构控制方法

虚拟同步机是一种可以改善分布式能源并网兼容性的技术手段。目前有关虚拟同步机滑模控制的研究大多数仅针对于单机系统。由于单机系统无需考虑多机系统中出现的虚拟惯量等参数之间的耦合影响,这导致现有的滑模变结构控制策略不适用于多虚拟同步机系统,当功率波动时系统频率有可能产生振荡。针对上述问题,提出了多虚拟同步机虚拟惯量的整定判据,并基于整定判据提出多虚拟同步机系统的自适应滑模变结构控制策略,可以使系统中各台机组在扰动状态下输出稳定频率。通过自适应滑模变结构控制策略使得多虚拟同步机组在功率波动时输出稳定的频率,从而避免系统频率失稳。最后,通过搭建PSCAD仿真模型验证了理论分析的正确性及有效性,所提控制方法可提高多虚拟同步机系统的稳定性与鲁棒性。

弱电网下基于虚拟同步机的并网逆变器短路电流抑制研究

随着电力系统中新能源发电渗透率的提高,电网逐渐趋于弱电网,导致发电系统中低惯量、弱阻尼现象日益严重。虚拟同步机(VSG)技术可以提高惯量增加阻尼,保证系统在小扰动下的动态稳定性。然而高渗透率的电网系统为非无穷大系统,当网侧发生短路故障时,故障瞬间产生因非周期分量引起的暂态冲击电流,仅依靠传统的VSG控制无法有效地抑制短路电流,难以保证系统在大扰动下的暂态稳定性。针对以上问题,本文基于VSG暂态功角特性,提出了适用于弱电网的单位圆混合相量分析法,并结合提出的动态调节控制策略能够在电网阻抗波动时有效地抑制短路电流的稳态值和暂态冲击峰值,保证了系统的暂态稳定性。仿真和实验结果验证了本文所提控制方法的正确性和可行性。

负荷虚拟同步机惯性与阻尼自适应控制策略

虚拟同步机(VSM)技术通过模拟传统同步机转子惯性和系统阻尼,对电网提供惯性支撑。然而,阻尼与惯性的引入使得变换器的动态响应速度变慢,当变换器对输出功率进行主动调节时,无法快速、平稳地到达给定值。针对这一问题,提出一种惯性与阻尼自适应调节的负荷侧VSM优化控制策略。该控制策略通过在功率调节不同阶段,自主调节VSM的惯性J和阻尼D,实现对输出功率的优化控制。为了验证该控制策略的有效性,建立了VSM的MATLAB/Simulink模型,对其进行了仿真实验。仿真结果表明,与传统控制方法相比,基于该控制策略的同步机有功功率调节速度更快,调节过程中的波动和超调更小,具备更好的动态调节性能。

基于直流虚拟同步机的直流充电桩反推电流控制

针对电动汽车负载投切容易引起公共电网的电压扰动以及功率变化等问题,比较交流与直流系统中增加惯性的方式,在交流虚拟同步机的基础上,提出一种适用于直流充电桩的直流虚拟同步机控制策略;利用反推法构造反推电流环控制器,以弥补传统比例积分控制动态性能较弱问题,随后将基于直流虚拟同步机的反推电流控制器引入电动汽车直流充电桩,并对电动汽车直流充电桩的应用场景进行模拟。结果表明,所提方法能够很好地稳定直流电压,并能将电压波动限制在10 V以内,验证了所提控制策略的正确性和有效性。

基于模型降阶的双馈风电机组虚拟同步机控制参数优化

针对虚拟同步机(VSG)控制的双馈风电机组(DFIG)中由模型阶数过高导致的动态性能指标和参数优化求解困难的问题,兼顾稳定性与动态性能,提出一种改进的劳斯赫尔维茨与帕德近似结合的模型降阶方法。首先,建立DFIG-VSG系统的数学模型,基于此提出一种转子电流前馈补偿解耦的双环控制策略;然后,建立DFIG-VSG并网系统的小信号模型,得到对应的高阶闭环传递函数。基于该文提出的模型降阶方法对DFIG-VSG高阶传递函数进行降阶可得到输出有功功率的二阶传递函数,并进一步通过约束动态参数与稳定裕度得出一套控制参数选取范围,在该选取范围内通过根轨迹法分析主要控制参数对DFIG-VSG并网系统的影响。在不同风速工况下,通过Matlab/Simulink仿真验证了所提方法的可行性。

双轴励磁电流源同步机视角下跟网/构网设备建模及其互联系统同步稳定性分析

随着大规模新能源和电力电子技术的发展,电力系统逐渐形成了构网设备和跟网设备互联的形态,其中典型构网设备主要包括虚拟同步机和同步机,典型跟网设备包括锁相环型变流器。同步稳定是大电网运行的基础,但由于构网设备与跟网设备的同步机制存在很大差异,使得互联系统同步稳定分析极为困难。为此,该文从物理上借助双励同步机的概念,构建可以统一构网设备和跟网设备的等效结构,在数学上提出描述设备同步特性的通用建模思路,建立基于双励电流源同步机的互联系统同步稳定分析模型。进一步,给出互联系统同步稳定的数学定义和小扰动同步稳定的充分条件。最后,在MATLAB/Simulink仿真平台验证模型与分析的合理性。

飞轮储能虚拟同步机动态特性及对电力系统频率的改善分析

“双碳”目标提出后,可再生能源发电持续增加,传统火电机组占比下降,电力系统惯量降低,频率安全面临挑战。飞轮储能虚拟同步机(VSG)具备快速响应和惯量支撑能力,能够改善电力系统频率特性。本工作首先建立飞轮储能VSG模型,分析其在不同阻尼状态下的动态响应特性,验证了飞轮储能VSG的惯量和快速响应优势,并确定2.5 MW/0.5 MWh飞轮储能阵列VSG的最佳控制参数。随后建立含飞轮储能VSG的电力系统频率响应扩展模型,阐述飞轮储能VSG的惯性响应和调频能力,并在Matlab/Simulink环境中对某区域电力系统进行仿真分析,验证飞轮储能VSG调频辅助和惯量支撑作用,能够抑制电力系统在功率扰动时的频率跌落,抬升频率最低点,改善电力系统频率恶化现状。

储能虚拟同步机的并网阻尼特性分析与改进策略

针对储能虚拟同步机(VSG)并网运行时在有功功率指令与电网频率扰动条件下存在有功功率动态振荡与稳态偏差的问题,提出一种基于有功功率微分反馈的暂态阻尼优化策略。首先给出储能VSG的控制原理,建立储能VSG在有功功率指令与电网频率扰动下的并网有功闭环小信号模型,分析阻尼系数对输出有功的动态振荡与稳态偏差的影响规律,在此基础上提出基于有功功率微分反馈的暂态阻尼改进策略并给出其参数设计方法,最后利用仿真与实验验证了所述阻尼优化策略在抑制有功功率动态振荡与消除稳态偏差方面的有效性与优越性。

虚拟同步机孤岛并联系统暂态同步稳定性分析

针对虚拟同步机孤岛并联系统暂态失稳机理不明且传统等面积法则定量计算保守性强的问题,提出了一种考虑阻尼缩放的改进等面积法则。该方法运用等面积法则,将阻尼项抵消的不平衡功率缩放为对功角可积项,可定量计算虚拟同步机控制参数对并联供电系统极限切除角和极限切除时间的影响。研究结果表明,虚拟同步机的虚拟阻尼对暂态稳定性影响较大。虚拟阻尼与极限切除角和极限切除时间呈正相关;虚拟惯量与极限切除角呈负相关,与极限切除时间呈正相关,在系统容量充足的情况下应优先考虑提升虚拟阻尼。另外,初步探索了计及虚拟同步发电机过流保护的多机并联系统暂态同步稳定性研究思路,并分析了所提方法在多机系统中的适用性。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台验证了理论分析和所提方法的正确性。