基于虚拟同步发电机的光伏系统低电压穿越技术研究

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随着新能源的渗透率越来越大,电力系统缺乏惯性和阻尼的问题引起了学者的注意。为此,模拟同步电机为电力系统提供惯性和阻尼的虚拟同步发电机控制被提出。当光伏的装机容量达到一定程度时,在电网故障下的瞬时脱网会对大电网造成大冲击,故国家规定光伏需要低电压穿越的能力。在此背景下,本文以基于虚拟同步发电机控制的光伏系统为对象,研究其低电压穿越能力。首先,建立了适用于工程的光伏电池数学模型,并通过Matlab/Simulink搭建模型,对其输出特性的分析验证了模型的正确性。建立了二阶虚拟同步发电机的数学模型,通过其功率环、输电线路传输功率的特性建立了包含功率耦合的三阶小信号模型,运用根轨迹分析主要参数对系统特性的影响,得出结论:惯性系数和有功下垂系数选取不当时系统会发生低频振荡,惯性系数越大,系统阻尼越小;下垂系数越大,系统阻尼越大。在Matlab/Simulink中搭建虚拟同步机的模型,通过仿真验证了结论的正确性。接着,根据现有虚拟同步发电机的模型,对其进行改进以适应低电压穿越。其中,必须在低电压穿越过程中闭锁无功下垂环节,以及运用陷波器剔除掉不对称故障时的二倍工频振荡。在电网电压中出现负序分量时,逆变器输出对称电流、有功功率无振荡这二个目标无法同时实现。基于此提出以逆变器输出电流最大相幅值为限制的有功无功协调控制策略,能够保证电流的稳态值在限制范围内且抑制逆变器输出有功功率振荡。在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型,通过仿真验证了所提控制策略的正确性。最后,根据低电压穿越过程中出现的二个问题:电网电压跌落时逆变器瞬时电流过高和光伏输出能量过剩。提出解决方法:1、分析了同步发电机的电枢反应对短路电流具有负反馈的特性,即电枢反应对瞬时电流的突变有抑制作用,将电枢反应移植到虚拟同步发电机的模型中,并给出主要参数的选取原则。2、改进扰动观测法使得光伏在低电压穿越过程中,由最大功率跟踪变为限功率跟踪,以平衡直流母线的能量,保持母线电压恒定。在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型,通过仿真验证了电枢反应对瞬时电流的抑制作用和改进扰动观测法对直流母线功率平衡的促进作用。
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