【《虚拟同步电机研究现状国内外文献综述》3900字】

PAGE5虚拟同步电机研究现状国内外文献综述的概念最早由欧洲项目提出ADDINNE.Ref.{5F3E685D-BCAB-4B81-8481-B4F1ECFCF70E}[17]，目的是使微网系统具有大的惯性和阻尼特性，提高电网频率的稳定性。控制技术按照被控对象不同可分为电流控制型和电压控制型。典型的两种分别为比利时鲁汉大学提出的控制方案ADDINNE.Ref.{CCE6BBE6-800B-4E69-891C-51FA1F140C58}[18]和德国劳斯克塔尔大学提出的控制方案ADDINNE.Ref.{1143700B-AACE-4E3E-80AD-44DA2C5B9895}[19,20]。VSG控制方案通过引入同步发电机的转子运动方程，对VSG的有功频率环节进行了设计，在有功频率控制环中引入的转子惯性和阻尼特性增强了同步电网频率的稳定性，但是并未充分体现同步发电机的调压特性。控制方案在控制方案的基础上，在引入转子机械运动方程同时，引入定子电压方程，对无功调压环节进行设计，从而实现了VSG有功功率和无功功率控制，如图1-1所示。但上述两种控制方案在弱网环境或孤岛运行时无法为系统提供电压和频率支撑ADDINNE.Ref.{BB87169E-FE7C-4D4B-8085-DCED8EDD6DF2}[21-24]。图1-1VISMA控制框图为了使VSG控制在弱电网及孤岛运行环境下同样为系统提供电压和频率支撑，有学者提出了电压型VSG控制策略，其中最具代表性的为加拿大多伦多大学教授提出的虚拟惯性频率控制策略ADDINNE.Ref.{DED33597-AFE0-4EDF-B2D4-81C2F6081DB2}[25]和英国利物浦大学钟庆昌教授提出的虚拟同步机控制策略ADDINNE.Ref.{A3388EF2-3D1A-4468-A7FD-D5B96404CFA4}[26]。图1-2虚拟惯性频率控制框图虚拟惯性频率控制框图如图1-2所示，该控制的具体设计思路是：通过结合同步发电机的一次调频环节和其机械运动方程对有功频率控制环进行设计，借鉴同步电机的励磁调压特性对无功电压环进行设计，增强了微网孤岛运行时系统频率的可靠性。充分利用同步发电机定子与转子间的电气与磁链的关系，设计得到的虚拟同步发电机控制策略体现了同步发电机的机械特征和电磁暂态特征，其控制框图如图1-3所示。图1-3虚拟同步发电机控制框图综上所述，CVSG控制方案在逆变器中引入了转子机械特性，使逆变器表现出一定的机械惯性和阻尼特性，提高了电网频率的稳定性，减少了频率和功率震荡。但其在孤岛模式下无法为系统提供电压和频率支撑。VVSG控制方案分别在有功频率和无功电压控制环节中引入同步发电机的调速器和励磁控制器，在为逆变器控制增加惯性的同时，兼顾逆变器的并离网控制，由于其明显的控制优势，目前逆变器控制策略基本采用VVSG控制。微网逆变器并联技术国内外研究现状(1)逆变器并联具备通信连接和不具备通信连接的控制策略逆变器并联运行控制策略按照各个逆变器间是否具备通信连接分为两种：具备通信连接的控制策略和不具备通信连接的控制策略。具备通信连接的控制策略主要包括集中式控制、主从控制和分散逻辑控制ADDINNE.Ref.{8917168F-F7C1-4ECA-9D50-93405594443F}[27,28]，不具备通信连接的控制策略主要指的是基于传统的下垂式控制的逆变器并联运行控制策略，下面分别介绍上述控制策略。1)集中控制集中控制原理框图如图1-4所示。图1-4集中控制原理框图其原理为：根据逆变器输出侧交流母线电压可得到母线电压的幅值和频率，并由母线电压频率可以得到逆变器输出电压频率，通过锁相环作用，系统中各个逆变器工作在额定频率下。每个逆变器输出电流的参考值取决于负载电流和系统中并联的逆变器数目，将每个逆变器输出电流参考值与其输出电流实际值的差值作为电压控制器的输入，控制器的输出后就是输出电压的参考值。2)主从控制主从控制原理框图如图1-5所示。主从控制方案的思想是：为了解决集中控制方案中唯一的中央控制器所带来的系统可靠性低的问题，使每一个逆变电源都有一个控制单元，选定一个逆变电源作为主控电源，负责完成多机并联的控制，其余逆变电源为从属电源，受主控电源控制。主控电源通常为电压式逆变电源，从控电源一般为电流式逆变电源。并联系统开始工作时，主控电源首先启动，为各个从属电流逆变电源提供基准电压信号。主从控制中，虽然每个逆变电源都有控制单元，但是当在主控电源发生故障到某一从控逆变电源切换至主控逆变电源的过程中，系统可能因失去同步而出现大规模失效，且逻辑控制复杂。图1-5主从控制原理框图3)分散逻辑控制分散逻辑控制原理框图如图1-6所示。分散逻辑控制方案的提出从根本上解决某一时刻一个控制电源对系统造成的可靠性和稳定性的影响。分散逻辑控制方案的思想是：系统中各个逆变电源都是独立运行的，逆变电源之间没有从属控制关系，都处于同一优先级。所以当整个系统正常运行时，如果其中一台逆变器出现了故障，则立即被切除，不会影响整个系统安全和稳定的运行。图1-6分散逻辑控制原理框图4)不具备互联线的控制策略的研究现状具备互联线的控制是利用通信技术在检测到各个逆变器的信息的基础上来实现对微网系统的控制，其优势是并联系统采用通信连接，系统中各个DG共享信息，尤其是输出功率信息，实现系统输出功率的精确控制。但其劣势也很明显，并联系统功率分配的精度、控制的可靠性和准确性都过于依赖通信线路，一旦发生通信故障，系统就会失控。针对具备互连线的控制可靠性低的问题，文献ADDINNE.Ref.{727D0C5E-A099-4B38-A74F-7FD711D4435C}[29,30]提出了无互联线控制策略，采用传统下垂控制，通过功率负反馈环节来调节负荷突变时的电压和频率变化，该控制策略下，逆变器可自由扩容，适用性强，可靠性高。但由于无通信连接，利用各个DG的本地电气量实现对电压和频率的控制，并联系统功率均分精度不高。下垂控制原理如图1-7所示。(a)有功频率控制(b)无功电压控制图1-7下垂控制原理由图1-7可知，有功功率和无功功率分别与频率、电压成线性反比关系，当系统输出电压和频率发生波动时，系统通过功率负反馈环节来调节负荷突变时的电压和频率变化，实现微电网的自平衡。(2)功率耦合对功率分配影响和功率分配策略研究现状1)功率耦合对功率分配影响研究现状VSG控制技术继承了下垂控制的优点，且随着VSG技术的日益成熟，其在微网逆变器并联系统中已大量应用。但不论是传统的下垂控制还是VSG控制，当微网中微源数目较多时，只有各个DG能实现合理分配负荷，才能使微网系统稳定运行。在逆变器系统中，当线路阻抗呈感性时，下垂控制才能够具有更高的控制精度，但在低压型的微电网中，传输线路的阻感比较大时，输出有功和无功存在耦合，影响输出功率的分配。另外，当逆变器并联系统中传输线路阻抗存在差异时，必定会对微源分配无功功率造成不利影响，降低了无功功率均分精度，进一步导致系统稳定性变差。因此，在离网模式下，微网输出功率的解耦和和输出功率均分问题是保证系统稳定性需要研究的重要问题。对于线路阻抗特性影响下垂控制的精确性的问题，在逆变器的输出端加入物理大电感能够提高传输线路阻抗的感性，但物理电感对不同的地理环境缺乏灵活性，维护费用高，因此，只有改进逆变器的控制策略才能更加经济高效的提升下垂控制性能。文献ADDINNE.Ref.{11557D93-119C-478A-A764-BEEAB2CBFF29}[31]针对低压逆变器输出功率间的耦合性，通过加入大虚拟电感器的方式来增加系统等效输出阻抗的感性分量，降低了系统等效输出阻抗的阻感比，但由于需要加入远大于线路电抗的虚拟电抗，虚拟电抗上产生了较大的电压降落，影响并网电压电能质量。文献ADDINNE.Ref.{7999B8A4-EFE1-42BA-BE33-8F75A9C349A7}[32]提出了一种虚拟复阻抗控制策略，有效调节等效输出阻抗阻感比，提高了下垂控制精度，但改进策略在实现功率解耦的同时，虚拟复阻抗同样会引起较大的并网电压降落，影响并网电压电能质量。文献ADDINNE.Ref.{DBF09152-523B-4987-906D-C697ABB239A4}[33]相对于前一文献设计了另外一种虚拟复阻抗，使得系统得等效输出阻抗具有较大的电阻性，虚拟正电阻增加了输出阻抗的阻性比例，同时虚拟负电感降低了系统输出阻抗感性比例，利用反下垂控制可实现功率均分，该控制策略也会引起较大的并网电压降落。文献[34-36]ADDINNE.Ref.{2EDC994C-EFAE-428B-B76F-3D1F5648B78E}提出了利用虚拟的频率实现的下垂控制策略，能够在不改变输出线路阻抗阻感比的情况下实现功率的近似解耦，但控制的电压和频率为虚拟量，很有可能与实际电压和频率不符，影响电能质量，在工程中难以应用。文献ADDINNE.Ref.{6F31B196-3B79-40BB-83A6-EBE2E1F996D5}[37,38]针对低压微电网下功率间的耦合，在传统下垂控制基础上进行改进，采用虚拟坐标变换法实现逆变器输出有功和无功到虚拟有功和虚拟无功间的转换，实现功率解耦。文献ADDINNE.Ref.{7F52AEDE-B2CC-4B61-A9A3-019E0D93F923}[39]中对电压电流双闭环控制参数进行整定，使其传递函数等效的逆变器输出阻抗成不同的阻感性，并利用对应的下垂控制方程实现功率解耦，但该方法整定范围非常受限。2)功率分配策略的研究现状功率无法精确分配将严重影响微网稳定运行，因此需要针对微网中逆变器运行的可靠性对控制策略做出改进。文献ADDINNE.Ref.{CADED647-6A89-4891-A212-BDD89796BBA2}[40]针对传统的下垂控制策略中固定下垂系数调节的不足，利用自适应的思想，对调节固定的下垂系数使之依据控制要求自适应变化，但控制精度过于依赖调节系数，且调节器设计较为复杂。文献ADDINNE.Ref.{94C58592-0379-401B-B490-0D1F26CD635E}[41]针对逆变器传输线路阻抗差异导致的无功均分问题，通过实时测量线路阻抗差异引起的电压差，利用该差值对功率差额进行补偿，抵消阻抗压降差，使无功功率可以按照逆变器容量比进行合理分配。文献ADDINNE.Ref.{054FFBB7-4F78-4013-89EA-2E24D45A7CBD}[42]中逆变器控制基于本地测量信号，无需通信，即采用传统下垂控制，通过无功补偿控制实现无功功率精确分配，通过频率自恢复控制实现有功功率精确分配，提高了系统稳定性。文献ADDINNE.Ref.{3585CF70-5A8F-4735-8C80-0E384F9E857D}[43]中考虑到逆变电源带线性负载和非线性负载的情况，利用注入的谐波来补偿线路阻抗的不平衡量，但是这种控制策略会将谐波引入系统中，影响输出电压电能质量，而且注入信号后，有功功率的测量很复杂。文献[44]ADDINNE.Ref.{0E9C8173-B880-4B15-A6AD-4A96F62907E8}中在下垂控制中加入低宽带通信，通过配置功率权重函数来功率的精确分配，在发生通信故障，逆变器控制可保持良好的鲁棒性。文献ADDINNE.Ref.{4CAFA413-773F-435C-8F8F-EC59235A2122}[45]中通过引入虚拟功率，分析了线路阻感比对实现精确下垂控制的影响，利用线路阻感比构造了自适应虚拟阻抗控制环，实现功率均分。文献ADDINNE.Ref.{C208CC0D-774C-4159-93DD-1B21B51D1F6A}[46]中在固定虚拟电感中加入系统输出瞬时无功反馈项来构造自适应虚拟阻抗，并针对DG输出电压降落的问题引入基于同步通信机制的电压恢复策略，改进控制策略提高了无功分配精度、补偿了DG输出电压，但该控制策