Dynamic Simulation of Novel Small Wind Turbine Generation System with SynRG

This paper describes a small wind turbine generation system with SynRG （synchronous reluctance generator）. SynRGs are robust and inexpensive. In addition, SynRG has no cogging torque. Hence, wind turbine generation system with SynRG can achieve smooth start at low wind velocity. The rotor design of proposed SynRG is multi flux barrier type. With FEA （finite element analysis） software, the characteristics of SynRG are brought out, and the performance of wind turbine generation system with SynRG including copper loss and iron loss is simulated by FEA coupled with the motion equation of the wind turbine generation system under the maximum power point tracking control. In this paper, the constant wind test and the quasi-natural wind test are conducted. In conclusion, the results of these simulations indicate that the wind turbine generation system with SynRG has good performance, especially in starting phenomena.

基于超前滞后环节附加前馈阻尼的VSG控制策略

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)在引入同步机二阶转子运动方程,增大电力系统等效惯量的同时,也引入了同步发电机的振荡特性,有功低频振荡等动态稳定性问题也随之而来。引入调速侧电力系统稳定器(governor power system stabilizer,GPSS)能有效抑制VSG的功率低频振荡,但其在超调量及调节时间方面的控制效果仍有待提高。通过建立VSG的小信号模型从极点配置角度分析其稳定性,揭示基于GPSS的VSG控制策略在功率动态响应上存在较高超调和较长调节时间的原因。基于此,参考GPSS控制思想,提出了一种基于超前滞后环节附加前馈阻尼补偿的虚拟同步发电机控制策略。并从理论上分析验证了所提控制策略在不影响系统稳态特性的前提下,能够提供调整自由度更高的正阻尼,在有效地抑制功率超调的同时提高了系统的调节速度,从而更好地抑制了有功功率的低频振荡。最后通过MATLAB/Simulink进行对比仿真,仿真结果与理论分析结果一致,证明了所提控制策略的正确性和有效性。

变流器虚拟惯量和阻尼协同自适应控制策略

针对变流器传统虚拟同步发电机控制(virtual synchronous generator,VSG)在暂态过程中出现的频率超调等问题,提出一种虚拟惯量和阻尼系数协同自适应控制策略。首先,对VSG变流器系统进行数学建模;然后,通过分析VSG有功和角频率暂态特性曲线,提出一种虚拟惯量和阻尼系数协同自适应控制策略,同时借鉴传统同步发电机小信号模型分析方法建立有功功率环路传递函数,给出参数的选取范围;最后,基于MATLAB/Simulink仿真,验证了所提自适应控制策略在改善频率和功率暂态特性方面的有效性。

电压控制型虚拟同步发电机的高频谐振特性分析与抑制策略

虚拟同步发电机(VSG)模拟同步发电机的运行机制,引入了有功调频和无功调压控制环节,与传统电流控制型变流器不同,是一种电压控制型策略。文中立足电压控制型虚拟同步发电机控制结构和网源协调特性,构建小信号分析模型,分析在不同控制参数与电网参数场景下的振荡模态,进而掌握电压控制型虚拟同步发电机并网系统的高频谐振特性,并针对性提出高频谐振抑制策略。首先,分别建立电压控制型虚拟同步发电机、传统变流器各控制和电气环节的小信号分析模型,通过特征根分析方法,定量分析所有特征根的振荡模态和阻尼比,发现电压控制型虚拟同步发电机存在与传统变流器类似的高频振荡模态;同时分析虚拟同步发电机控制参数变化、电网强弱场景对其高频谐振阻尼作用机理。其次,基于电压控制型虚拟同步发电机控制策略,以有源阻尼方法为解决思路,提出基于电流内环前端通道引入虚拟阻抗控制策略的谐振抑制方法,抑制其高频谐振。最后,利用Matlab/Simulink仿真和RT-LAB控制器在环实验结果验证所提出的控制策略,结果表明虚拟阻抗控制环节起到有效正阻尼作用,相比于无源阻尼方法,在无需额外增加测点和外部控制量的情况下,电压控制型VSG网侧阻尼特性改善,暂态响应能力增强,高频失稳现象得到有效抑制。

提高储能VSG并网有功响应性能的暂态阻尼策略

储能虚拟同步发电机(VSG)的并网有功在有功指令与电网频率2种扰动下存在动态超调与稳态偏差。提出有功微分反馈补偿(ADFBC)和有功微分前馈补偿(ADFFC)2种暂态阻尼策略,并在分别建立典型VSG、ADFBC和ADFFC 3种策略并网有功闭环小信号模型的基础上,给出了相应的参数设计方法。仿真和实验对比结果均验证了所提ADFBC和ADFFC暂态阻尼策略可有效提高储能VSG并网有功响应,在2种扰动下其并网有功既无动态超调又无稳态偏差。

构网型直驱风机的小信号建模及动态频率支撑策略

针对传统构网型直驱风机在大扰动下的频率和功率振荡较大的问题,提出一种动态频率支撑策略。首先对构网型直驱风机进行了详细的小信号建模。其次,通过主导特征根轨迹分析有功频率控制以及交流电压控制环节中参数对频率变化特性的影响,进而提出一种灵活改变控制参数的动态频率支撑策略。最后,在Matlab/Simulink仿真平台上搭建仿真模型,验证了小信号建模的正确性和所提策略的有效性,表明所提策略能有效减小动态过程中的频率和功率振荡。

双馈虚拟同步机快速励磁控制和功角补偿策略

针对以激磁电势为目标控制电压的双馈虚拟同步发电机策略下运行功角大而带来的功率耦合问题,提出采用快速励磁控制消除功角扰动对无功控制的影响,采用功角补偿消除激磁电势扰动对功角有功控制的影响的功率解耦方案。在分析双馈电机数学模型及双馈虚拟同步机整体控制策略的基础上,构建计及无功控制环节的双馈虚拟同步机小信号模型。通过分析无功环节PI控制器参数对功角稳定性的影响,设计快速励磁控制策略。通过分析无功扰动与功角变化的关系,确定功角补偿传递函数。设定风速扰动、电网频率扰动和电网电压扰动3种不同工况进行验证。结果表明:所提控制策略可有效避免双馈虚拟同步机大功角运行时有功功率控制和无功功率控制间的相互影响,实现功率解耦。

基于有功分数阶微分校正的储能VSG并网有功响应策略

为了解决在有功功率指令、电网频率2种扰动情况下储能虚拟同步机(VSG)并网有功难以兼顾良好的动态特性和稳态性能的问题,提出了一种基于有功分数阶微分校正的VSG(AFDC-VSG)并网有功响应优化控制策略。分别建立典型VSG、AFDC-VSG这2种控制策略的并网有功闭环小信号模型,并给出相应的参数设计过程。利用MATLAB/Simulink仿真软件对比分析不同控制策略在2种扰动下储能VSG的并网有功响应特性,并建立储能VSG并网系统的实验平台。仿真和实验结果共同验证了所提AFDC-VSG策略在优化储能VSG并网有功响应性能方面的有效性与优越性。

储能VSG并联组网系统的有功振荡特性分析及其改进策略

储能虚拟同步机(VSG)通过模拟同步发电机的转子运动方程,使得储能变换器具备一定的惯量支撑能力,但不可避免地引入有功动态振荡等问题,特别是在储能VSG并联组网系统(ESVPNS)中该问题更为突出。为此提出一种抑制ESVPNS有功动态振荡的有功前馈补偿改进控制策略,利用包含虚拟惯量与一次调频参数的一阶低通滤波环节构造有功前馈项,通过调节前馈参数提升ESVPNS抑制有功动态振荡的能力,在既不依赖通信又无需微分运算的前提下,不影响ESVPNS有功的稳态均分效果。建立包含有功前馈环节的ESVPNS小信号数学模型,并详细给出前馈参数的设计过程。MATLAB/Simulink仿真对比结果验证了所提控制策略的有效性与优越性。

含跟网型储能的新能源多馈入系统小扰动电压支撑强度分析

储能正常工作时包含充电和放电两种运行模式,导致多储能变流器和多新能源变流器构成的多馈入系统工作点多变,加剧了系统小扰动同步稳定性分析的困难程度。为此,该文聚焦锁相环主导的小扰动同步稳定问题,首先,推导了兼顾储能充/放电运行模式的电网强度评估指标广义短路比,并提出了基于广义短路比及设备临界短路比的系统电压支撑强度分析方法,进而实现了系统小扰动同步稳定裕度的快速评估;然后,探究了跟网型储能变流器的充/放电运行模式对系统小扰动同步稳定裕度的影响规律,并根据矩阵联锁特征值定理论证了跟网型储能变流器工作在充电模式时,系统的小扰动同步稳定裕度高于放电模式;最后,基于仿真算例验证了所提系统小扰动同步稳定性分析方法的有效性。

直流受端馈入站与近区风电场系统振荡特性分析

随着高压直流输电工程的不断投产,以及风电项目的增多,越来越多的风电场出现在电网换相换流器高压直流输电(line-commutated-converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)受端换流站近区,两者构成的系统存在振荡风险。为此,该文针对直流受端馈入站与近区风电场系统的振荡特性展开研究。首先,建立并验证系统的状态空间模型,基于该模型计算出系统特征值,确定LCC-HVDC与风电场共同参与的振荡主导模式并进行参与因子分析。进一步地,通过对比是否接入LCC-HVDC的主导模式,得到LCC-HVDC的接入会削弱系统阻尼的结论。最后,从系统额定容量、交流系统短路比、风电场并网线路长度等方面探究系统稳定性的影响因素,并分析系统的不同短路比、潮流比对风机网侧换流器(grid-side converter,GSC)外环控制和换流站定电流控制器性能的影响。

基于虚拟同步发电机的多机逆变系统稳定性分析

为解决新能源并网逆变系统给电网惯量和阻尼特性带来的问题,虚拟同步发电机技术(VSG)得到广泛应用,但VSG的引入也可能对系统的稳定性带来影响。对此,首先在单机逆变系统小信号模型的基础上建立多机逆变系统小信号模型;然后,分析系统关键参数特征根轨迹,从参数异步变化角度研究目标参数对多机系统整体和各VSG之间高、中、低频稳定性的影响,揭示了多机系统参数的多频段稳定性影响规律,确定了多机系统部分结构和控制参数的稳定裕度。最后,通过仿真试验验证了理论分析的结论。

弱联络条件下并网虚拟同步发电机小干扰稳定分析

文中研究了弱联络条件下并网虚拟同步发电机的小干扰振荡稳定性问题。首先,建立了并网虚拟同步机的简化线性化模型;然后,结合劳斯稳定判据理论,推导了并网虚拟同步机的小干扰稳定性判据。对稳定性判据的进一步分析表明:无论电网强度以及控制参数变动,并网虚拟同步机总能保持稳定运行。所以,弱联络条件不会给并网虚拟同步机带来振荡失稳问题。最后通过仿真算例,演示并验证了理论分析的正确性。

低惯量交流系统并网变流器次/超同步振荡分析

低惯量电力系统中跟网型变流器可能会与同步机转子动态产生交互,给系统稳定性分析引入新的问题,仅靠跟网型设备动态和短路比衡量交流系统强度不再准确。为此,该文综合分析系统惯量和短路比对跟网型变流器小干扰同步稳定的影响,提出适用于分析低惯量系统中并网变流器稳定性的方法,所提方法计算量低、物理意义明确。首先,推导变流器和同步机混联系统的闭环模型,并提取出能表征低惯量动态的相互作用系数矩阵,定性分析两类设备间的交互关系。其次,基于模态摄动理论,将原多机系统解耦为稳定性等效的子系统。然后,选取适用于分析小干扰同步稳定问题的相位主导回路,根据该回路提出综合考虑惯量和短路比的稳定性分析方法。最后,基于仿真算例验证了所提低惯量系统中并网变流器小干扰同步稳定性分析方法的有效性。

基于有功比例微分前馈VSG的柴储微网有功振荡抑制策略

在负载扰动下,传统储能虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator,VSG)与柴油发电机(Diesel Generator Set,DGS)并联组网系统存在有功功率动态振荡。文章提出一种基于有功比例微分前馈VSG(Activepower Proportional Differential Feedforward VSG,APDF-VSG)的柴储微网有功动态振荡抑制策略。首先建立储能VSG与DGS并联组网系统的小信号模型,分析储能VSG的虚拟惯量、虚拟阻尼及输出阻抗参数对系统有功振荡的影响规律,在此基础上提出基于APDF-VSG的柴储微网有功动态振荡抑制策略,并给出相应的参数设计过程。最后,建立储能VSG与DGS并联组网系统的Matlab仿真模型,并利用仿真结果验证所述APDF-VSG控制策略在抑制柴储微网有功动态振荡方面的有效性。

基于VSG的接口变换器参数模糊自适应控制策略

虚拟同步发电机(VSG)控制在下垂控制的基础上,引入了同步发电机的转动惯量和阻尼系数,改善了系统的动态频率响应特性,提高了交直流混合微电网的抗扰动能力,但同时忽略了一定的动态调节性能。针对这一问题,提出一种基于VSG的接口变换器参数模糊自适应控制策略。该控制策略能够降低系统在振荡过程中的超调量,进一步提升系统在面对扰动时的动态调节性能,且更具灵活性。首先,基于交直流混合微电网的瞬时功率平衡关系,给出接口变换器VSG控制策略;其次,建立整个闭环控制系统的小信号模型,分析关键参数对系统稳定性的影响;然后,基于模糊控制设计虚拟惯量和虚拟电容的自适应控制策略;最后,通过实验验证了所提控制策略的可行性与优越性。

直驱风电场并网系统宽频振荡小干扰稳定判据及稳定性分析

并网电力系统中多直驱风电机组(direct-driven permanent magnet synchronous generator,PMSG)风电场可能出现次同步/超同步振荡现象,为深入的研究直驱风电场并网系统的宽频振荡,文章对多PMSG风电场并网系统进行了一系列研究。首先,针对次同步振荡频率场景和超同步振荡频率场景分别建立了单台PMSG的简化数学模型。然后,结合风电场的等效降阶法求解了多PMSG风电场并网系统的特征方程,运用劳斯赫尔维兹判据得出各频率场景下并网系统中风电场的稳定性判据,从解析的角度分析了并网系统中各运行参数对系统稳定性的影响。最后,通过一个可扩展的多PMSG风电场并网系统验证了文中提出的风电场等效降阶模型下的稳定判据是可行有效的,并直观的讨论了并网系统中PMSG风电机组数量以及长线路等效电抗变化对并网系统稳定性的影响。

新能源经柔性直流孤岛送出系统小信号同步稳定机理

为满足绿色低碳发展的需要,我国正大力推进大规模新能源基地的开发,大规模新能源经柔性直流孤岛送出系统受到越来越多的关注。该系统中新能源设备通常采用常见的跟网型控制,为支撑系统稳定运行,柔性直流设备需采用构网型控制。然而目前对于这样一个高比例甚至100%电力电子系统的同步稳定机理尚不完善。针对锁相环和虚拟同步环在系统同步过程中的作用,建立了跟网型新能源和构网型柔性直流设备的同步模型。然后分析了系统小信号稳定性,推导出系统保证稳定的运行区域,分别针对新能源和柔性直流设备提出了存在失稳风险的运行状态。最后在PSCAD仿真中验证所提结论。

大容量直驱风机集群经柔直并网引起的次同步振荡概率评估

针对海上风电集群经多端柔直并网时的次同步振荡(SSO)频发问题,提出了一种基于Weibull分布模型和带漏项最小均方算法的SSO概率评估方法,分析了大容量直驱风机集群经柔直并网引起的SSO变化特性。仿真结果表明:风速增加使SSO频率由40 Hz下降至18 Hz附近,负阻尼比累计概率由14%增至90%;构成风电场的等值风机台数增加与多端柔直并网可以扩展SSO频率分布区间,并降低1%~8%的SSO负阻尼比累计概率。

采用三阶模型的虚拟同步发电机功率振荡特性分析及附加阻尼控制

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)为电力电子化电力系统所存在的惯量不足等问题提供了新的解决方案,但VSG是基于同步发电机的数学模型设计的,因此也存在传统同步电机的功率振荡问题。采用同步发电机的三阶模型进行VSG–无穷大系统的小信号模型的构建,并通过复数力矩系数法,分析得出在一定条件下,VSG–无穷大系统在线路阻抗等因素的影响下将产生负阻尼力矩,且线路电阻对负阻尼力矩具有非线性影响,功率振荡的可能性较大。设计一种用于改善系统阻尼特性的附加阻尼力矩补偿器(additionaldampingtorquecompensator,ADTC),通过引入正阻尼力矩抑制功率振荡。最后通过仿真,验证了负阻尼力矩的影响因素及ADTC的可行性与有效性。