北交大特稿:如何實現虛擬同步機有功和無功功率的穩態解耦控制?

2021-01-09 電氣新科技

團隊介紹

姜靜雅，博士研究生，研究方向為新能源併網控制技術。

王瑋，教授，博士生導師，研究方向為電力系統分析與控制、新能源發電與智能電網技術等。

吳學智，副教授，博士生導師，研究方向為新能源併網技術、微網系統以及大功率電機控制技術等。

唐芬，副教授，碩士生導師，研究方向為新能源併網技術、電機控制和電能質量管理等。

北京交通大學國家能源主動配電網技術研發中心成立於2013年。課題研究團隊現有教授7人，副教授12人，高級工程師4人。課題研究團隊在電力電子裝置設計開發、風能和光伏電能變換技術、儲能及動力電池應用技術、主動配電網控制技術等相關領域已有多年的研究經驗，並取得了多項成果。

導語

虛擬同步機的輸出功率在中低壓線路傳輸過程中存在耦合，進而引起功率控制產生穩態誤差，嚴重影響分布式電源併網質量和系統穩定性。如何實現虛擬同步機併網功率解耦控制？且看北京交通大學國家能源主動配電網團隊的相關研究。

項目研究背景

隨著分布式電源在電力系統中的滲透率不斷提升，能夠實現風光等分布式電源友好併網的虛擬同步機技術應運而生並已成為研究熱點之一。

然而虛擬同步機存在功率耦合問題，尤其在實際中低壓線路呈現阻感特性時，有功功率和無功功率的耦合程度更加嚴重，進而影響分布式電源併網質量和系統穩定性。

現有解耦策略中，或解耦後的P-V、Q-f控制難以與系統中存在同步發電機時的P-f、Q-V控制實現良好兼容；或實質是控制迴路功率耦合的消除，而實際的有功功率和無功功率仍然存在耦合；或所建模型不能準確反映有功功率引起的無功功率穩態耦合，因而研究虛擬同步機功率解耦問題具有重要的意義。

論文方法及創新點

本文採用的傳統變流器拓撲及虛擬同步機控制方案如圖1所示。文中重構了有功功率控制環路和無功功率控制環路，在用d/q軸電流表徵虛擬同步機功角和內電勢的基礎上，提出僅用d軸電流表徵功率耦合問題，進而從抑制電流穩態變化的角度提出了基於自適應無功功率補償的解耦策略，同時分析了電網線路參數對補償效果的影響，通過仿真和實驗驗證了所提解耦策略的可靠性和有效性。重構的耦合環路和無功功率補償方案如圖2所示。

圖 1 傳統併網變流器拓撲及 VSG 控制方
圖2 重構的耦合環路和無功功率補償方案

結論

1）虛擬同步機的功角和內電勢可用d、q軸電流表徵，為僅由d軸電流表徵功率耦合提供了理論基礎；有功功率引起的無功功率耦合可僅由d軸電流表徵，因而可僅通過一個補償環節減弱了由於線路阻感比大和功角引起的功率耦合，解耦方法簡單。

2）仿真和實驗驗證了所提基於自適應無功功率補償的虛擬同步機功率解耦策略可以有效消除由於有功功率產生的無功功率穩態耦合。通過估算不同工況下的穩態工作點實時修正無功功率補償值，保證了解耦的可靠性。

引用本文

姜靜雅， 王瑋， 吳學智， 唐芬， 李金科. 基於自適應無功功率補償的虛擬同步機功率解耦策略[J]. 電工技術學報， 2020, 35(13): 2747-2756. Jiang Jingya, Wang Wei, Wu Xuezhi, Tang Fen, Li Jinke. Power Decoupling Strategy in Virtual Synchronous Generator Based on Adaptive Reactive Power Compensation. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(13): 2747-2756.

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