虚拟同步发电机低电压穿越控制策略及故障特性研究

作     者：王子鸣 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：郑涛;肖远清

授予年度：2023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：虚拟同步发电机 低电压穿越控制 短路电流解析 故障特性 影响因素分析 

摘      要：随着国家“双碳目标的提出,以光伏、风电为代表的新能源发电技术近年来得到了迅速发展,换流器等电力电子并网设备也随之不断扩大应用规模,导致以发电机为主要惯量支撑与阻尼来源的传统电力系统结构与性质发生了巨大变化,使之逐渐呈现出“低惯量、“弱阻尼等特征,电网的稳定性与安全性正在受到严重威胁。针对这一问题,国内外学者提出虚拟同步发电机(Virtual synchronous generator,VSG)控制技术,并将该技术应用于逆变器的控制中,使得逆变器表现出与同步发电机相似的外特性,相较于传统跟网型控制,VSG可显著提高“双高电网的运行稳定性。而现有研究表明,VSG没有传统同步机的强耐过流能力,且故障的基本特性及故障影响因素也并不明确,因此亟需针对VSG在电网发生短路故障时的相关问题展开进一步研究。首先,论文介绍了虚拟同步发电机的基本并网结构,包括控制系统结构及并网物理系统;在VSG模型基础的基础上,针对电网发生短路故障时,VSG并网点电压幅值与相位跳变导致逆变器过流等问题,本文通过对VSG电压幅值基准值的切换和参考相位角的补偿,实现过流抑制及功率快速输出,并分析了在故障恢复期间所提低电压穿控制方案的适用性。进一步,本文提出了低电压穿越控制的快投慢退策略,使得低电压穿越控制在故障恢复后可以顺利退出,VSG恢复正常控制模式。其次,论文提出了电网发生对称短路时VSG故障电流的计算步骤,并得到故障电流的解析表达。即先根据VSG的电路方程和各环节的控制方程,构建虚拟内电势与故障电流的基本关系方程;再通过联立无功电压电路方程和无功电压控制方程得到虚拟内电势的表达式;最后,将虚拟内电势表达式带入其与故障电流的关系方程中,进而得到故障电流的解析表达式。最后,通过仿真验证了故障电流解析表达的正确性。最后,论文在故障电流解析表达的基础上,通过两相旋转坐标系与三相静止坐标系的转换关系,对VSG三相故障电流的基本分量进行了详细阐述;同时,在故障电流解析表达进行合理简化的基础之上,对于故障参数及控制参数对故障特性的影响进行了详细分析。