基于小信号模型的并网逆变器虚拟同步发电机控制研究

作     者：董利虎 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨俊友

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：并网逆变器 虚拟同步发电机 小信号模型 稳定性分析 自适应控制 

摘      要：近年来,在国家政策和“双碳目标等多重因素的推动下,随着风光等清洁低碳的可再生能源大量接入电网,电力系统表现出明显的“双高特征。然而,由于可再生能源发电系统输出功率的间歇性和不确定性,以及缺少有利于保持系统稳定性的惯量和阻尼,在功率波动和系统故障等情况下给系统高效和稳定运行带来了巨大的挑战。借鉴传统同步发电机惯量与阻尼特性,并将同步发电机的相关控制方案应用到并网逆变器的控制环节中,提出了改变电力电子逆变器控制方式的虚拟同步发电机技术(Virtual Synchronous Generator,VSG),有效地改善了可再生能源发电系统输出波动性与稳定性。本文以并网逆变器VSG为研究对象,主要研究内容如下:首先,梳理归纳传统逆变器控制策略,由此引出新兴的并网逆变器VSG控制技术。给出传统同步发电机的定子电气与转子机械特性方程,介绍VSG系统拓扑结构的物理电路部分和控制部分,以及核心的VSG控制算法,并结合特性方程与控制原理设计了VSG的功频与励磁控制器。然后,针对引入并网逆变器VSG控制技术的稳定性问题,提出了包括所有状态变量的VSG单机以及多VSG并联系统的小信号数学建模方法,通过变参数的系统特征根轨迹分析,得到了包括虚拟转动惯量J、虚拟阻尼系数D和线路电阻R和电感L在内的参数对并网逆变器VSG控制系统特征根的影响规律,并分析了参数变化对系统稳定性的影响。相关的仿真结果验证了分析结果的正确性。最后,针对功率扰动情况下系统输出存在有功功率和频率超调与振荡问题,在现有VSG控制策略的基础上,通过分析并网逆变器的功角曲线和虚拟角频率振荡曲线确定VSG控制参数虚拟转动惯量J和虚拟阻尼系数D的选取原则,根据选取原则提出了控制参数J和D协同自适应控制策略。相关的仿真结果验证了所提控制策略的有效性。