基于虚拟同步机的微网逆变器控制策略研究

虚拟同步机技术,以其模拟同步发电机组转动惯量、阻尼特性、下垂特性、励磁特性及并离网通用的技术优势,在微网逆变器控制技术中受到越来越多专家学者的关注。本文以国家“十二五”科技支撑计划重大项目《风光储输示范工程关键技术研究》(2011BAA07B02),国家“十二五”科技支撑项目《大型机械能量回收与利用关键技术开发与应用》(2014BAA04B02),国家“十二五”科技支撑计划《光伏微电网关键技术研究和核心设备研制》(2015AA050607)等为依托,在微网逆变器系统数学建模、控制策略,微网逆变器的关键性参数稳定性分析和设计理论,实验模拟方案等方面进行了较为深入的研究,并对上述研究进行了实验室验证和现场示范研究,取得一些创新性的成果。本文主要研究及创新点概括如下：(1)概述了模拟同步发电机组特性的基本原理,比较了虚拟同步机,下垂控制和真实同步发电机组之间的相同点和不同点,以及其各自优缺点,并简要概述了用在大功率微电网示范工程的几种微网逆变器拓扑结构,并比较了其优缺点。(2)建立了基于复矢量变换的三相微网逆变器正负序输出电压,环流,输出阻抗数学模型,探究了其本身存在的动静态特性分离的物理特性,给出了单机孤岛/并网,孤岛并联,多机并网等运行状态下的数学模型,探索了死区和采样误差对系统环流特性的不同影响,给出了影响系统环流的关键因素和控制变量,给出了多机并网下并网特性的变化,指出了根据此数学模型得到的现有控制方法存在的问题。(3)将系统中的关键变量按照控制特性进行分类,并结合数学模型和稳定性分析,得到功率外环和电压双环的统一控制方程。根据其并离网输出性能要求,为提高功率计算快速性,准确性及稳定性,给出了基于陷波器的功率计算方法；为解决并联运行动态响应和均流的矛盾问题,提出了输出阻抗解耦控制策略；为解决并联运行不平衡输出电压抑制和均流的矛盾问题,提出了不平衡负载条件下的均衡控制策略；为解决输出带变压器时的直流分量问题,给出了基于准谐振控制器的直流分量抑制策略；为了保证虚拟同步机技术能在并网模式下按照功率调度指令提供恒定功率,给出了恒功率控制策略；为了解决并网模式下的次同步振荡问题,给出了次同步振荡抑制策略；为了满足现有微网逆变器低电压穿越时的无功补偿要求,提出了基于有功分量补偿无功电流的无功补偿控制策略；为了解决光储共同运行时需要兼顾储能电池相关状态和光伏电池最大功率追踪问题,给出了光储逆变器统一控制策略。(4)为了验证上述控制策略和参数设计的有效性,与课题组成员一起建立了三套实验系统,一套是依托于合肥工业大学分布式发电实验室的,基于动模机组的风光储物理模拟实验系统,一套是基于工厂产品应用的光储柴可靠节能发电系统,并建立了完善的实验测试系统,来全面考察系统的并离网以及切换性能,一套是西藏措勤智能微电网实验示范工程；简要介绍了实验系统中关键实验装置的实验室简易模拟方案,包括电网模拟,光伏电池模拟,储能电池模拟等方案；给出了关键技术参数的参数设计方法,根据数字控制系统延时特性对高频稳定性的影响,提出了基于广义奈氏稳定判据的LC/LCL的谐振频率稳定域判定方法,得到了断续的谐振频率稳定域范围,并以此和桥臂侧最大纹波电流为原则,提出了适用于并离网两个状态的LC/LCL参数设计一般性原则,然后对所提出了的控制方案进行了全面而深入的测试,并以实验结果来指导和修正理论分析,简化实验方案,最后形成产品应用。