微网逆变器的虚拟同步发电机控制策略研究

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传统能源的日益匮乏及其带来严重的环境污染,使得可再生能源发电技术受到了研究学者的广泛关注,分布式电源在电力系统中所占比例也因此不断增加,微电网已经成为电力系统的热点研究领域。但是由电力电子器件构成的微网逆变器缺少惯性和阻尼特性,这给电网的稳定运行带来了极大的挑战。虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)技术通过控制方法使得逆变器具有同步发电机的惯性以及阻尼特性,提高系统稳定性,成为了国内外的研究热点,并具有广泛的应用前景。由此,本文对微网逆变器的VSG控制策略展开研究。根据同步发电机的机械方程以及电气方程建立了VSG的二阶数学模型,通过模拟同步发电机的运行特性完成了VSG功频控制器与励磁控制器的设计,对比分析了VSG与传统同步发电机之间的联系与区别。分析了VSG的功频特性,研究了转动惯量以及阻尼系数分别对VSG输出的动态过程的影响,建立了VSG小信号模型,在此基础上,设计了VSG控制参数以及LC滤波器的参数,并对比分析了VSG控制与下垂控制的异同点。针对传统无缝切换控制算法过于复杂且锁相环很难快速准确获得电网电压波动时频率信息的缺点,提出了一种引入虚拟电阻的改进无缝切换控制方法,该方法通过控制虚拟电阻的有功功率和并网点两侧的电压差都为零达到无缝切换的目的,通过仿真验证了改进方法的有效性。针对电网电压畸变导致并网电流谐波的问题,研究了基于VSG电流谐波抑制方法,分析了电网电压畸变对并网电流的影响机理,采用了一种电网电压前馈的控制方法,通过重塑谐波频率处的电网导纳达到抑制并网电流谐波的目的,通过仿真验证了该方法的有效性。针对对称电网电压暂降严重情况下VSG输出不稳定且故障清除瞬间功率波动大的问题,研究了VSG的低电压穿越控制方法,采用功率指令调节方法使VSG故障期间输出稳定,采用虚拟阻抗与额定电压幅值控制相结合的方法限制了VSG故障瞬间所产生的过电流,并通过仿真验证了该控制策略的有效性。最后,在RT-LAB实验平台完成了VSG功频特性实验以及VSG电流谐波抑制实验,实验结果验证了VSG功频特性理论分析的正确性,验证采用电网电压前馈控制策略对并网电流谐波抑制的有效性。
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