基于虚拟同步发电机功率控制策略的光伏发电系统研究

太阳能光伏并网发电技术是目前新能源研究开发热点之一，促使其得到了快速发展和越来越广泛的应用。然而，光伏发电系统与传统发电方式存在很大差异，其大规模应用的负面影响引起越来越多研究人员的关注。同步发电机具有较好的组网特性，使光伏发电系统模拟同步发电机特性将有效避免光伏发电规模化应用存在的隐患，对光伏发电技术发展具有重要意义。 本文首先对光伏发电系统工作原理及系统结构进行了分析介绍，针对采用L型和LC型滤波器的光伏逆变器数学模型进行了推导和相应控制策略的分析，对储能技术在光伏发电系统中应用方式进行了介绍，为下文结合光伏与储能实现虚拟同步发电机控制技术的研究打下基础。 基于同步发电机二阶模型建立了虚拟同步发电机(VSG，Virtual SynchonousGenerator)算法，对其基本特性及虚拟惯性作用进行了详细分析。分析了采用无功功率闭环控制时控制器参数对系统特性的影响，并设计了一种基于坐标变换实现有功无功解耦的无功功率控制方法，可以避免有功无功功率输出特性相互影响。针对VSG算法实现，提出一种基于VSG算法的功率控制策略，通过该方法可使光伏发电系统有效模拟同步发电机特性，同时避免VSG算法的应用增加系统控制复杂度和降低系统可靠性的问题。 在对VSG算法的研究基础上，将该控制技术应用至微电网运行控制中，结合两种VSG算法实现方式对微电网分布式光伏电源进行控制，从而使它们均具有双模式运行和微电网孤岛运行模式下的负荷自动分配能力，并实现了微电网的灵活控制。对微电网孤岛运行模式下频率调整和电压控制策略进行了分析和设计，并针对微电网模式切换提出了一种基于虚拟功率的预同步控制策略，可以在不检测频率、相位情况下实现微电网与主网的预同步控制。 最后，在MATLAB/Simulink中建立了系统仿真模型，仿真结果表明：(1)应用VSG算法的光伏发电系统具有了虚拟惯性，基于坐标变换解耦的无功功率控制实现了很好的控制效果，且避免了对系统动态特性的影响；(2)通过功率控制实现VSG算法的方法达到了引入虚拟惯性目的，且系统具有较好的可靠性；(3)基于VSG控制技术的微电网分布式光伏电源协调控制策略实现了微电网的可靠运行，基于虚拟功率的预同步控制策略可实现微电网母线电压与主电网电压的准确同步。