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分布式虚拟同步发电机非理想环境适应性分析及优化控制研究

利用风力、太阳能等间歇性可再生能源的分布式发电技术是解决能源问题的

重要途径,在分布式可再生能源渗透率较低的情况下无需对输配电网络进行大规

模改造,同时大量的可再生能源被就地消纳,提升了电力系统应对负荷增长的能

力,延缓对配电网进行升级改造的需求。随着分布式发电技术的大规模应用,分布

式可再生能源在电力系统中渗透率的不断提高,由于以电力电子变流器为接口的

分布式发电单元不具备同步发电机的惯性和阻尼,导致系统中的旋转备用容量及

转动惯量相对减少,此时电力系统容易受到功率波动和系统故障的影响造成系统

失稳。

分布式虚拟同步发电机能够模拟同步发电机转动惯性及阻尼特性,使得分布

式虚拟同步发电机除了能向电网提供电能之外,还能减弱分散的、大规模的分布

式发电单元对电网的带来不利影响,为电网提供一定的支撑,为进一步提高可再

生能源分布式发电的渗透率提供新的技术路线。分布式虚拟同步发电机接入中低

压配电网,接入位置一般处于配电网末端,所处电网环境比较恶劣,例如电网短路

故障及电网电压不平衡情况时常发生,此时分布式虚拟同步发电机的运行机制及

输出性能,不仅关系到可再生能源的利用率,而且对电网安全稳定运行造成影响。

分布式虚拟同步发电机离网运行时,分布式虚拟同步发电机带不平衡负载能

力弱,分布式虚拟同步发电机等效输出阻抗以及输电线路阻抗的差异影响功率分

配精度及电流环流大小,其不平衡负载控制技术及并联控制技术存在诸多技术难

题。因此,研究分布式虚拟同步发电机并网运行时的电网适应性,离网运行时的负

载适应性及并联控制技术,不仅关系到其自身的安全可靠运行,同时对于构建高

可靠性、高渗透率电力系统具有极其重要的理论研究价值和现实意义。

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本文在国家国际科技合作专项项目“分布式光伏微网电能质量控制机理及关

键技术”,江西省高等学校科技落地计划项目“光伏微网智能控制器关键技术研

究”的资助下,对分布式虚拟同步发电机非理想环境适应性及优化控制策略展开

研究,研究内容具体包括:并网模式下分布式虚拟同步发电机低电压穿越技术、电

网电压不平衡时分布式虚拟同步发电机控制技术,离网模式下分布式虚拟同步发

电机带不平衡负载运行控制技术及分布式虚拟同步发电机并联控制技术。主要工

作和创新体现在以下几点:(1)综述了分布式发电研究背景、定义和特点,总结归

纳了现有分布式逆变电源控制策略,并对虚拟同步控制策略的发展历程和研究现

状进行归纳。

(2)概述虚拟同步发电机基本原理,对虚拟同步发电机主电路结构及控制策

略进行详细介绍,提出了基于同步旋转坐标的电压型虚拟同步发电机电压电流控

制环设计方法,为改进型分布式虚拟同步发电机控制技术的提出奠定了基础。改

进后的控制策略避免了并、离网运行状态切换时控制策略的切换,并改善了离网

及弱电网运行时的电能质量。

之后建立虚拟同步发电机小信号模型,利用根轨迹法对虚拟同步发电机稳定

性和瞬态响应特性进行分析,并分析惯性系数及阻尼系数对系统性能的影响,最

终给出参数整定具体方法。(3)分析配电网短路故障时传统虚拟同步发电机的运

行特性,在此基础上,提出分布式虚拟同步发电机低电压穿越控制技术。

改进的分布式虚拟同步发电机低电压穿越控制技术,引入虚拟阻抗对瞬时输

出电流进行限制,并采用同步旋转坐标下的输出电流分序控制,实现电网不对称

短路故障时输出电流的三相平衡。稳态运行时,将平均瞬时功率代入传统虚拟同

步有功功率环得到恒定的桥臂电压参考值,之后通过参考电压计