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分布式发电虚拟同步发电机控制策略分析与比较

2019-11-06
来源: 礼德动力
  引言随着分布式发电技术的不断发展,近年来分布式能源( Distributed Energy Resources,DER) 在电力系统中的渗透水平迅速提高。由于分布式电源具有输出非线性和随机波动性的特点,并网运行时对传统电网稳定性的影响问题日益突出。
  
  微电源组网在一定程度上缓解了分布式电源对电网的冲击,与之相适应的下垂控制方法不仅无需互联通信,还能实现微源即插即用、灵活组网,因而在微电网中得到了广泛应用。但下垂控制仅模拟出了同步发电机的有功分配特性,分布式电源( Distributed Generator,DG) 及静止电力电子元件并不具备转动惯量,其动态响应速度仅为微秒级,难以为电网稳定运行提供必要的支撑。
  
  大规模可再生能源并网势必导致电网总惯量比重相对减少,对系统稳定性产生显著影响。
  
  由分布式电源组成的微电网也是小惯量的弱电网,难以保障网内用户的供电质量。因此,缺少惯性将会是制约分布式发电技术进一步发展的瓶颈之一。作为分布式电源与电力系统的接口,逆变器的潜力仍有待进一步发掘。
  
  同步发电机( Synchronous Generator,SG) 因其旋转特性而自然具备转动惯量,当电网受到干扰出现有功功率供需不平衡时,同步发电机将主动改变转速,通过吸收/释放动能对差额进行弥补,在调速器的控制下,缓慢过渡到下一个工作点,使系统频率表现出良好的抗干扰能力。
  
  有鉴于此,欧洲项目率先提出了虚拟同步发电机的概念。提出在分布式电源侧装设储能来为其提供虚拟转动惯量,当出现功率不平衡时控制储能设备吸收或释放能量,使分布式电源表现出与同步发电机相同的特性。文献[11 - 12]将同步发电机的转子运动方程和一次调频控制引入到VSG 控制中,较为完整地模拟出了同步发电机的运行机理和外特性。同时,通过对下层控制的改进,VSG 控制策略也逐步由电流型控制过渡到电压型控制。
  
  基于电压型的VSG 控制技术,适用于并网模式和自治模式的VSG 控制方法,并通过小信号模型和根轨迹法对相关控制参数选择进行研究。
  
  通过对状态矩阵特征值和灵敏度的计算,分析了系统的动态稳定性。改进了VSG 的底层电压电流控制,提高了控制的跟踪效果。
  
  对VSG 控制和下垂控制进行了比较,证明VSG 控制具有较大的优势。针对以往研究中模拟SG 机械调速器延迟的做法,文献通过分析证明延迟环节对VSG 控制产生了不利影响。此外,分别针对VSG技术的相关应用和参数选择展开了研究。
  
  目前针对VSG 控制策略的研究往往集中于对单一算法的参数及性能分析,或对VSG 控制与传统控制、下垂控制进行对比,鲜有文献述及不同VSG 控制策略间的横向比较。启动特性作为控制性能的一项重要指标,在以往的研究中也未能得到足够的重视。本文在归纳VSG 控制方法的基础上,就三种主要控制方法的静态、动态和启动特性分别进行了分析比较,并通过仿真实验对相关理论进行了验证。
  
  控制策略图1 为基于VSG 控制的分布式电源控制框图。分布式电源和储能装置通过逆变器与LC 滤波构成主电路,测量信号经VSG 控制及无功- 电压下垂控制合成电压参考信号,通过电压电流控制得到PWM 调制信号控制逆变器通断。
  分布式发电虚拟同步发电机控制策略分析与比较
  图1 VSG 整体控制框图Fig.基于VSG 的有功-频率控制包括一次调频控制和虚拟惯性控制,本文根据两部分中反馈变量选取的差异,将已有VSG 控制策略归纳为以下三种:在一次调频和虚拟惯性控制中引入公共母线角频率ωg作为反馈信号,得到控制函数综合以上分析可知,当kω 和D 相差较大时,三种策略控制下的VSG 功频特性均会受到影响。
  
  但相对而言,策略A 中kω 与D 的耦合程度较低,其控制效果具有一定的优势。
  
  根据参数整定方法: kω = Sn /△ωmax,决定有功变化时的频率偏移; D 与J 决定系统阻尼状态,确定ξ 后D 与J 存在唯一对应关系。由于kω 和D的整定方法无直接联系,应用时很难保证二者的取值相同。
  
  为减小高通滤波项干扰,在选择J 时应与系统发电容量相匹配( 若不匹配还将影响到储能的配置) 。当kω 和D 取值相近时,在允许范围内,可适当调整频率偏差和阻尼比,使kω、D 值相互趋近; 当D > kω 且二者差值较大时,可适当降低kω,以增强低通滤波项作用、相对减小高通滤波项影响。应避免kω 取值过大的情况出现。
  分布式发电虚拟同步发电机控制策略分析与比较
  启动特性传统同步发电机因其固有的旋转特性,在投入运行时需从静止加速至额定转速,启动过程中频率波动范围大、动态性能差,惯性时间常数H 表征了SG 在额定转矩下、空载时完成启动所需的时间。而由静止元件组成的分布式电源不受转速与频率的关系制约,能够获得更好的启动特性。