[发明专利]虚拟同步机多机并联稳定控制及其惯量匹配方法

说明书

本发明公开了一种虚拟同步机多机并联稳定控制及其惯量匹配方法，本发明针对新能源电力系统中大规模微电源接入稳定控制问题，研究了虚拟同步机多机并联稳定控制策略，搭建了VSG有功‑频率和无功‑电压控制器，提出了简化的虚拟惯量模拟器，使得控制系统无需引入PLL环节，减少了锁相精度对VSG控制特性的影响；建立精确的VSG多机并联运行系统的小信号模型，并分析了虚拟转动惯量、下垂系数、线路参数、虚拟阻抗等参数变化时系统特征根的变化情况及其对小信号稳定性的影响规律；提出了VSG多机并联系统惯量匹配方法，按照该惯量匹配原则配置各VSG的虚拟惯量，可以保证各VSG在稳态和暂态过程中都能够实现按容量比例分配负荷。

技术领域

本发明涉及一种虚拟同步机多机并联稳定控制及其惯量匹配方法，属于分布式电源主动参与电网频率电压调整技术领域。

背景技术

与传统能源大多通过同步发电机并入电网不同，越来越多的分布式电源通过电力电子并网逆变器接入到电网中，相比于传统的同步发电机，分布式电源并网逆变器具有响应迅速的优点，但由于其属于静置设备，不能够为电网提供足够的惯性和阻尼支撑，随着分布式电源渗透率的不断增加，将严重影响到电力系统的动态响应和稳定性。

因此，国内外学者提出了虚拟同步发电机(VSG)概念，目前，国内外针对VSG的研究工作主要集中在VSG建模、控制策略、稳定分析和应用等几个方面。

VSG技术的主要目的就是要提高大量微电源接入电力系统的系统稳定性，对其稳定性分析主要采用小信号分析方法。现有技术构建了VSG的高阶小信号模型，通过根轨迹分析法分析了主要控制参数变化对系统稳定性的影响。现有技术定量分析了VSG参数摄动对并网功率跟踪的影响，并分析了虚拟惯量和阻尼参数的影响与整定方法。现有技术分析了并网和孤岛两种模式下VSG小信号稳定性，指出惯性时间常数、阻尼系数和无功下垂系数的变化对系统稳定性影响较大，但是以上技术在建模过程中均未考虑系统稳态工作点的变化，虽简化了分析过程，但分析结果不够准确，而且多针对VSG单机进行建模分析，对于VSG多机并联系统的精确小信号建模和分析是亟须解决的问题。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种虚拟同步机多机并联稳定控制及其惯量匹配方法，从建立VSG模型入手，提出简化的虚拟惯量模拟器，使得控制系统无需引入PLL环节；建立精确的VSG多机并联运行系统的小信号模型，并分析了虚拟转动惯量、下垂系数、线路参数、虚拟阻抗等参数变化时系统特征根的变化情况及其对小信号稳定性的影响规律；并提出了VSG多机并联系统惯量匹配方法，以保证各微电源逆变器按比例分配负荷。为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种虚拟同步机多机并联稳定控制及其惯量匹配方法，步骤S1，建立VSG模型，并提出简化的虚拟惯量模拟器，使得控制系统无需引入锁相环环节；

步骤S2，建立VSG多机并联运行系统的小信号模型，并分析了虚拟转动惯量、下垂系数、线路参数、虚拟阻抗参数变化时系统特征根的变化情况及其对小信号稳定性的影响规律；

步骤S3，提出VSG多机并联系统惯量匹配方法，以保证各微电源逆变器按比例分配负荷。

作为本发明的进一步改进，利用微电源逆变器模拟同步发电机运行特性，构建VSG主电路；所述VSG主电路由蓄电池组及光伏阵列、DC-DC变换单元、DC-AC逆变单元和隔离变压器组成，其中光伏阵列DC-DC变换器常采用最大功率跟踪控制，直流侧母线电容通过存储或释放能量维持直流侧电压恒定，因此采用恒压源接入微电源逆变器的直流侧来模拟原动机。

作为本发明的进一步改进，所述微电源逆变器变流拓扑采用三相电压型PWM结构，经LC滤波器接于公共耦合点。

作为本发明的进一步改进，VSG模型是采用同步发电机经典二阶模型为VSG建模，包括电气部分和机械部分，其具体实现过程如下：

传统同步发电机的摇摆方程为