【光伏虚拟同步机控制策略与建模仿真分析5000字】

光伏虚拟同步机控制策略与建模仿真分析 11.1同步发电机原理和特性 21.2虚拟同步发电机设计 3 3 4 41.3虚拟同步机建模与仿真分析 51.4接入光伏为端的虚拟同步机仿真分析 81.5光伏虚拟同步机并网仿真分析 在电网中，各种传统能源形式如火电和水电多由同步机将能量许多控制都是依靠同步发电系统的特性建立的，而电力电子设备并不具有这些重要特这一章将从传统同步机入手，主要对其转子和调频调压原理进行分析，得出其并网时的重要特性，并通过设计虚拟同步环节模拟其特性，在仿真软件中建模并进行验证。其中Tm和Te分别为同步发电机的机械转矩和电磁转矩，Dp为阻尼系数，J为转子的转动惯量，wm是转子机械角速度，wg为检测到的入网点的角速度。阻尼系数和转化平稳，也使得多台同步机共同运行的时候能形成一个稳定系统。在上一章分析过一次调频的原理和重要性，而同步发电机实现一次调频是通过原动稳定系统频率。同步发电机一次调频控制结构如图1.1。P图1.1同步发电机控制结构有一个励磁系统稳定端电压大小，其功能可以简化为Q-V下垂控制。31.2虚拟同步发电机设计虚拟同步机包括转子运动方程的建模和电磁方程，前者反映了其中Pm为输入转子机械功率，Pe为输出电磁功率，H为转子惯性常数，KD为阻尼这是同步机的特性之一却不是其优势，所以在这控制框图基础上对其改进得到如图4其中，w0取额定工况下转子角速度，即314。虚拟调速器的作用是模拟频率的一次调节，在同步发电机中指的是调速器的作用。采用如下的P-w下垂控制。同步发电机的励磁系统十分复杂，但是简化下来要实现的是：通过无功控制输出电5压幅值。采用Q-V下垂控制，数学表达式如下：其中Uo和Qref分别为输出电压幅值和输出无功额定值，Uin和Qout为实际输出电压幅值和无功功率，Ku为Q-U下垂系数。对其建模得到如图1.4。1.3虚拟同步机建模与仿真分析将对同步机各特性的建模加入前文中的逆变器典型结构中，以虚拟同步控制策略建立功率外环控制，得到如图1.5的虚拟同步机整体模型：交流母线交流母线PWM调制器ubref虚拟转子虚拟励磁器6在Simulink中建立系统仿真模型如图1.6,验证说明虚拟同步机控制结构的可行性。WWHW主电路包括了恒定电压源、逆变器、LC滤波器、导线电抗、各个时刻投入的负载证虚拟同步机特性。控制部分由前一节中的虚拟调速器、虚拟逆变器虚拟同步控制建模如图1.7所示。其中虚拟同步机额定有功功率选择为10kw,计算得到当k与D之和为3185时，设定相应参数可以使得其P-f下垂系数为10kw/0.5hz。上图中负载都为5kw,并在5s,710s时刻接入系统。相当于在Os-5s时，虚拟同步机带5kw负载；5s-10s时，虚拟同步机带10kw负载；10s-15s时，虚拟同步机带15kw负载。运行仿真得到结果如下。≤如图1.8所示，在5s以及10s的增加负载时刻，前后电流将匹配负载进行增加，而电压幅值基本上保持不变，说明虚拟同步机在负载变化的时候能稳定输出电压。如图1.9所示，0-5s时虚拟同步机带5kw负载，按照下垂系数10kw/0.5hz计算，频率将增加0.25hz,稳定在50.25hz;5-10s时虚拟同步机带10kw额定负荷，频率将稳定8在50hz;10-15s虚拟同步机带15kw负载，计算得到频率将稳定在减少0.25hz,稳定在49.75hz。看到图1.10频率仿真实测结果，均与计算结果符合，说明所建虚拟同步机具有下垂特性，能参与一次调频。由频率曲线可以看出，一次调频工作并不是瞬时完成，而是大概经历2秒的时间，频率才稳定于下一个稳定工作点，这正是由于所建立的虚拟转子惯性的存在。由此可以推断，当负载波动时，虚拟同步机能给予系统惯性的支撑。1.4接入光伏为端的虚拟同步机仿真分析上节完成了虚拟同步机控制模块的设计和建模，并建立了整个直流端定电压的虚拟将光伏建模系统替代直流电压源，并且并联一个电容，整体建模图如下：WWHW其中，设置虚拟同步机额定有功功率为10kw,设置光伏在额定光照温度条件下的最大有功功率为12kw,由此来留有裕量以应对负载功率的小范围上调与下降。其余设9置与上小节一样，0-5s单机带5kw负载，5-10s单机带15kw负载，设置整个仿真时长为15s,得到负载功率图和系统频率图如下：图1.12虚拟同步机输出有功图1.13虚拟同步机频率这时光伏虚拟同步机单机带负载的工况是正常运行的，观测直流端电压变化得到如图1.14直流端电压从图1.14可以看出当前工况下直流端电压一直保持在比较功逆变的必要条件。从每一个时间节点进行分析：前1s左右电容电压有下降，这是因为光伏MPPT算法找到最大功率点需要一定的时间；1s-5s电容电压稳定上升，这是因平衡；5s-15s电容电压稳定下降，同理这是因为负载功率高过光伏输出功率，电容器补偿了有功的缺额。尽管在较短的带过负荷时间内，并联的电容器可以使得直流端电压维持在能逆变成功的范围内，但是如果继续延长过负载时间或者加大负载功率，可以预测逆变器必定会因为耗尽电容能量而逆变失败。如设立一个较极端情况，在0-1s光伏逆变器带5kw负载，接下来带20kw负载，仿真结果如图1.15和图1.16。≤从图1.25看出1s后带过大负载时，直流端电压很快降至500V以下，此时如图1.16,逆变器逆变失败，与分析结果一致。出现逆变失败的根本原因在于功率不平衡即储能系统不够完善，解决方法之一是增加并联电容的大小，可以在一定限度内改善直流端电压变化的问题，扩大直流侧电容至十倍原先大小，运行得到如图1.17和图1.18。nn然而，现实情况下，光伏系统工作情况相比于仿真模拟更加复杂，其出力以及负载情况则更加难以预测，通过直接增加电容来维持直流端电压的方法并不是完全可靠。为此有学者提出将蓄电池组加入逆变器直流端，通过蓄电池与光伏能量互补从而更好地实现直流侧电压的稳定，此时蓄电池和电容器一起吸收多余功率或者弥补功率缺额。1.5光伏虚拟同步机并网仿真分析上一节将光伏接入了并网逆变器的直流端，通过仿真建模验证了光伏虚拟同步机单机带负载的可行性并提出了面临的储能问题和基本解决方案，但是这些都是在离网工况下进行的，而虚拟同步机的意义却是在于并网工况下的对等控制。所以本节将继续验证本文所建立光伏虚拟同步控制策略在并网工况中的有效性。值得一提的是，光伏发电多运用于微电网中，而微电网不同于传统大型电网的是，其电压和频率钳位能力十分弱，如果在光伏并网仿真中将光伏虚拟同步机并入一个无限大电网，也就失去了其现实意义。本次并网仿真设计是将光伏虚拟同步机并入传统同步机来模拟虚拟同步机并网过程，如果能正常将虚拟同步机投切、和传统同步机并联运行供给负荷并且按照设定参数分配功率即完成一次调频，也就是能证明光伏虚拟同步机并网策略的可行性。在Simulink里建立光伏虚拟同步机并网模型如图1.19。其中，各仿真参数如下：传统同步机额定功率设置为30kw,传统同步机额定P-f下垂系数设置为60kw/0.5hz;光伏虚拟同步机额定功率设置为10kw,光伏虚拟同步机P-f下垂系数设置为10kw/0.5hz。仿真时长设置为25s,各时间段运行以及负载情况如下：0-5s传统同步机单机带22500kw负载；5s光伏虚拟同步机接入单机带负载系统；5-10s传统同步机和光伏虚拟同步机一起带40000w负载；15-20s传统同步机和光伏虚拟同步机一起带75000w负载；整个并网系统的下垂系数是光伏虚拟同步机下垂系数60kw/0.5hz与传统同步机下垂系数10kw/0.5hz之和，也就是70kw/0.5hz;整个系统的额定功率之和也是光伏虚拟同步机的10kw和传统同步机30kw之和，也就是40kw。伏虚拟同步机不输出任何功率，相当于其空载运行，功率差为10kw,按照10kw/0.5hz的下垂系数计算，虚拟同步机频率将上升0.5hz,也就是稳定在50.5hz;5-10s时，光伏虚拟同步机并网运行，此时整个并网系统的下垂系数为70kw/0.5hz,而输出有功功率为22500w,与额定有功功率40000w相差17500w,得到并网系统频率将最终上升0.125hz,即稳定在50.125hz;10-15s时，光伏虚拟同步机与传统同步机将输出40000w的额定有功功率，频率将稳定在50hz;10-15s时，光伏虚拟同步机和传统同步机输出75000w有功功率，此时相较于额定功率多了35000w,功率最终将下调0.25hz,稳定在49.75hz;20s时刻，光伏虚拟同步机脱离电网运行，回到单机空载状态，频率回到50.5hz。以上是在不同时间段，根据系统功率和下垂系数计算出的并网系统最终频率。运行仿真模型，获取光伏虚拟同步机频率与输出有功功率信息，得到功率-频率如图1.20。0-5s,虚拟同步机单机空载运行，负载Okw,按下垂系数计算频率为50.5hz。仿真结果如下图1.21和图1.22。5-10s,虚拟同步机并网运行，系统负载22500kw,按下垂系数计算：系统频率为50.125hz,虚拟同步机分配负载功率7500w,传统同步机分配负载功率15000w。仿真结果如图1.23、图1.24和图1.25。dd10-15s,虚拟同步机并网运行，系统负载40000w,预计虚拟同步机和传统同步机均运行在额定工况，输出功率分别为10000w与30000w,仿真结果如图1.26、图1.27和图1.28。15-20s,虚拟同步机并网运行，系统负载75000w,按下垂系数计算：系统频率为4