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。

计及电压动态特性的虚拟同步机暂态稳定性分析

针对仅考虑摇摆方程可能导致虚拟同步机暂态稳定性分析误判的问题,首先考虑公共耦合点处电压变化对系统暂态行为的影响,建立了计及电压动态特性的虚拟同步机暂态模型,实现对虚拟同步机动态特性的全面精准刻画。在此基础上提出了一种直接求解极限切除角和极限切除时间的快速迭代求解算法,并分析了虚拟同步机核心控制参数改变对系统暂态稳定性的影响机理。最后,搭建了典型结构虚拟同步机的电磁仿真模型,验证了理论分析和关键暂态指标求解算法的正确性,结果表明相比于仅考虑摇摆方程的暂态模型,所提模型能更精准地刻画虚拟同步机暂态特性。

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。

基于阻抗重塑的虚拟同步机次同步振荡抑制方法

虚拟同步机通过模拟转子运动方程从而使电力电子装置具有同步发电机的惯性和阻尼特性。然而,虚拟同步机与串联电容补偿电网连接时易发生次同步振荡。针对该问题,该文首先建立虚拟同步机与串联电容补偿电网的序阻抗模型,其次,采用伯德图分析次同步振荡发生的机理,研究传统有源阻尼方法的局限性。在此基础上,提出一种基于阻抗重塑的虚拟同步机次同步振荡抑制方法。在虚拟同步机阻尼系数的反馈回路中增加阻抗重塑控制器,进而利用伯德图分析改进系统的阻抗特性。该阻抗重塑方法可以减小虚拟同步机与串联电容补偿电网在低频段的阻抗相位差,有效抑制次同步振荡发生。相较于传统的有源阻尼控制方法,所提出的次同步振荡抑制方法可以较好的适应系统运行方式变化,并且不会引起虚拟同步机工作点偏移。最后,通过仿真和实验验证所提方法的有效性。

基于虚拟同步机控制的单级式光伏并网系统强迫低频振荡分析

光伏并网系统中,最大功率点跟踪(MPPT)控制会在直流侧电压中引入大量间谐波,可能引发强迫振荡。传统研究重点关注扰动源频率与系统固有弱阻尼模式频率的关系,较少关注变换器控制特征对加剧强迫振荡的效果。文中以虚拟同步机(VSG)控制为例,构建单级式光伏并网系统功率输入输出频域闭环传递函数模型,指出了MPPT控制引入的间谐波会导致基于VSG控制的单级式光伏并网系统发生强迫低频振荡。与基于传统二阶时域微分方程的强迫振荡分析方法进行对比,论证了所提闭环传递函数与传统二阶微分方程的等价性,从而便于从频域输入-输出关系角度更直观地分析扰动源和变换器控制特征对强迫振荡的影响。最后,分析了VSG超调效应和有功、无功功率动态耦合效应对强迫振荡的影响机理,并基于仿真算例验证了VSG控制超调和功率耦合对加剧强迫振荡的影响特性。

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。

基于虚拟同步机控制参数自适应调节的储能系统调频方法

【目的】风电的大规模渗透一定程度上降低了电力系统的调频能力,储能作为一种相对成熟、行之有效的技术手段,被广泛用于电网调频。为此,研究了储能系统在虚拟同步机控制下参与电网调频的响应过程及优化配置。【方法】基于DIgSILENT/PowerFactory仿真软件搭建储能控制模型与电力系统,对系统投入储能前后的频率响应特性进行分析。进一步,考虑风电机组在不同出力模式下的备用容量,通过风速区间的划分与风电机组功率预留系数的确定,优化储能系统的配置结果,实现储能系统调频系数的自适应调整。【结果】储能的投入能够有效改善系统频率响应、减少弃风。通过合理预留风电机组自身调频容量,储能系统可以为电网提供可靠的功率支撑。【结论】基于风机风速与输出功率的储能系统调频系数自适应调整方法,能够在满足系统调频需求的同时有效减小储能系统的超调量和输出功率,延长储能工作时间。

基于虚拟同步机参数自适应调节的并网逆变器控制策略研究

具有“小惯量,弱阻尼”典型特性的新能源并网后,当系统受到扰动时交流母线的频率会出现剧烈波动现象,存在恶化电网的频率稳定运行的潜在威胁。为此,提出一种改进的虚拟同步机(VSG)参数自适应控制策略。首先,控制逆变器按VSG方式运行并使虚拟惯量和阻尼参数在运行过程中同时关联VSG输出角频率的偏差量和变化率,以达到平抑频率波动的目的;然后进一步对逆变器进行自适应优化控制,用功率偏差量代替原控制环节中的角频率导数项,避免自适应控制中的求导运算对系统造成不必要的噪声干扰,简化控制环节的同时也改善了频率的动态调节波形;最后,通过仿真算例证明了该文所提自适应控制策略的正确性,并验证了该文策略对扰动下系统有功功率及频率波动抑制的有效性。

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。

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。

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。

计及同步机惯性与储能虚拟惯性价值的电能、惯性及一次调频联合优化出清模型

高比例新能源发电并网将导致电力系统同步机惯性和频率响应资源减少,大扰动下电力系统频率安全问题凸显。目前,现货市场缺乏机制来激励惯性资源供应,而同步机惯性和储能虚拟惯性本身具有一定价值,因此可以考虑将他们纳入现货市场进行出清,以有效地维持系统频率稳定。为此,该文首先探讨同步发电机和储能提供惯性与一次调频的区别,并基于储能虚拟惯性延时推导两阶段响应过程的频率安全约束;其次,提出计及同步机惯性“块状”特性与储能能量预留系数的电能、惯性及一次调频日前出清模型,获取同步机惯性和虚拟惯性价值;最后,基于算例验证所提模型的有效性,并讨论不同参数设置对于出清结果的影响。

基于光储虚拟同步机的模型预测双环协同优化控制策略

随着新能源和电力电子设备的渗透率不断提高,引起新型电力系统惯量不足和稳定性下降等问题。以光储一体机并网系统为例,提出一种基于虚拟同步机(virtual synchronous generator, VSG)的模型预测双环协同优化控制(model prediction double-loop co-optimisation, MPDC)策略。在功率外环方面,根据同步发电机转子频率特性,采用模型预测控制对不同阶段的VSG参考功率进行修正。在内环方面,选取有限集三矢量模型预测电流控制(finite control set-three vector-model predictive current control, FCS-TV-MPCC)实现准确跟踪外环输出参考电压。仿真与实验结果表明,所提控制策略能提高频率跟踪精度,且与传统控制方法相比,在负载发生突变情况下可减小系统频率超调,同时降低频率变化率,从而改善有功调频特性。

虚拟同步机稳定性分析及其参数自适应调节策略研究

针对新型电力系统弱电网特性面临的安全稳定挑战,提出一种参数自适应调节的虚拟同步机控制策略,用于并网变流器控制。通过分析系统的根轨迹特性,制定了虚拟阻尼和虚拟惯量等参数的自适应调节方案。对控制环节中的关键参数进行分岔分析,揭示了虚拟同步机中分岔现象的规律,确定了虚拟惯量和虚拟阻尼的自适应调节范围。实验结果证明,与固定参数调节方案相比,本文所提出的自适应调节方案能够更快地抑制频率波动,减少超调量,提高系统稳定性。这一研究能够有效提高新能源并网系统的稳定性和可靠性。

采用新型模型预测的光伏虚拟同步机低电压穿越控制

在光伏逆变器中采用虚拟同步机VSG(virtual synchronous generator)策略,可以实现惯性和阻尼支撑,但传统VSG无法对系统提供暂态无功电压支撑,无法满足低电压穿越LVRT(low-voltage ride-through)期间对电压调节的需求。通常网侧发生接地故障后将光伏逆变器VSG控制切换至模型预测控制MPC(model predictive control),接地故障切除后由MPC切回至VSG控制策略。为了提升LVRT期间目标电流跟踪能力,在MPC控制中设置自适应目标函数。MATLAB/Simulink仿真和实验结果表明,所提新型模型预测的光伏虚拟同步机具备低电压穿越能力,LVRT期间MPC电流控制精确,MPC切换至VSG控制过程中无暂态电流冲击。

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。