定频电网逆变电源控制策略研究

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随着电力系统中可再生能源装机量持续快速增长,可再生能源取代传统化石能源在能源结构中的主体地位,是未来电力系统的重要特征。逆变电源作为可再生能源并网的主要接口,其电力电子化的设备特性和基于脉冲宽度调制的电能变换机制决定了其频率特性完全取决于电源的控制策略,具有高度的控制灵活性。如果可再生能源占主体的电力系统中所有逆变电源的频率指令值都取额定频率,那么该系统的稳态频率将保持为额定频率,将具有该特性的电力系统称为定频电网。为了维持系统安全稳定运行,定频电网中的逆变电源需要能够提供电压和频率支撑,合理分配负荷功率,具有良好的动态特性。为实现上述控制目标,本文对定频电网逆变电源控制策略进行了深入研究,取得的主要成果如下:(1)提出了基于虚拟电容的逆变电源定频控制策略。为了实现上述定频电网逆变电源控制目标,首先提出了虚拟电容的概念,用于表征逆变电源的有功出力能力与实际有功出力的不平衡。进而根据虚拟电容电压的变化调节逆变电源的输出电压相位,对有功功率分配进行调节。根据状态空间小信号模型的多时间尺度特性可知相比于现有的定频控制策略,基于虚拟电容的逆变电源定频控制策略具有暂态频率可控的优势。(2)将采用基于虚拟电容定频控制的定频电网作为研究对象,深入分析其稳态有功功率分配特性和动态特性。首先推导了双机系统和多机并联系统的有功功率分配解析表达式,对其分析可知不同的控制参数取值对应不同的有功功率分配特性。结合电源特性和网络特性深入分析能够实现不同有功功率分配特性的机理,并将其推广到复杂网络拓扑定频电网。建立了双机系统状态空间小信号模型,利用特征根轨迹和参与因子轨迹分析线路参数和控制参数取值对系统动态特性的影响,理论分析和仿真结果表明采用基于虚拟电容定频控制的双机系统在控制参数的典型取值范围内不会出现功率振荡和失稳现象,具有良好的动态特性。(3)在基于虚拟电容定频控制的基础上提出了基于自适应虚拟阻抗的逆变电源无功功率控制策略。针对微电网中逆变电源需要合理分配无功功率的控制目标,首先推导了微电网无功功率分配解析表达式,对其分析可知无功功率分配误差的来源以及分配误差与逆变电源输出电压幅值的对应关系。在此基础上提出了根据输出电压幅值变化调节虚拟阻抗值的逆变电源无功功率控制策略,理论分析和仿真结果表明该策略能够显著提升无功功率的分配精度。对双机系统状态空间小信号模型的分析可知引入自适应虚拟阻抗能够改善部分参数取值下的系统稳定性。
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