VSG控制以及实现原理-有驾

VSG基本原理及相关问题

VSG是将同步发电机的数学模型嵌入逆变器的控制算法中，将静止电力电子装置模拟为旋转电机的运行技术，并通过模拟同步发电机的一次调频、调压使其具有阻尼电压和频率快速波动、自动功率分配、同步电网运行的功能。

VSG拓扑结构包括直流电源、电力电子变流器、输出LC滤波器。通过在变流器控制系统中嵌入同步发电机方程，VSG能够实现直流电源与系统间按照同步发电机的特性进行功率交换。从系统角度来说，如果忽略电力电子器件开关动作产生的高频分量，VSG与同步发电机等效。在同步发电机中，机械转轴和绕组为系统的稳定运行提供必要的转动惯量和阻尼，而对于VSG而言，需要利用储能系统建立虚拟惯性和阻尼。

有关VSG的研究问题可以分为5个层面，即底层控制、数学模型构建、VSG控制算法、稳定性分析及VSG在电力系统中的应用。底层控制包含电压电流控制，用于实现对电压和电流的快速准确控制，常用的控制算法有基于dq坐标系的PI控制以及基于abc坐标系的PR控制等。同步发电机数学模型反映了其自身的包括惯性和阻尼在内的机械和电磁特性，是VSG技术的核心。控制算法能够保证VSG在规定范围内稳定运行，实现储能与VSG、VSG与电网及VSG之间的协调运行。在理解实现及控制方式的基础上，通过对VSG稳定性分析能够进一步理解VSG的运行特性，并反过来指导控制系统的设计，最终实现VSG在电力系统中的推广应用。

电力电子新能源的接入使得电网面临频率和电压稳定性等方面的挑战。为了提高电网的稳定性，利用储能系统能够提供惯性的特点，在光伏并网发电中加入储能系统进行虚拟同步电机控制。

本文主要研究三相变换器的dq动态模型，并在频域中与同步发电机系统的下垂控制、转子惯量、定子特性等进行对比。研究一种改进型虚拟惯量控制技术，该控制技术在提高功率动态响应的同时可以减小功率震荡。针对变换器开环特性非线性强、控制性能差等问题，提出了感应电动势的双闭环控制来模拟同步发电机的定子特性。

现有光伏或风电新能源系统存在问题：1.具有电力电子接口的分布是电源电力系统的渗透率不提升，大型光伏电站等数量大幅度增加，与此同时传统集中式一次能源逐渐减少，导致电网的转动惯量逐渐减少，频率波动大，尤其是以光伏发电为主的供电系统，其能源的间歇性和不可调度更加剧了电网频率的波动，使得系统的频率稳定性问题日趋严峻。2.光伏发电系统缺乏惯量，不具备短时过载能力，那么在电网故障情况下将不能提供短时功率甚至脱机，导致电力系统难以获得足够时间以恢复电网，进而导致电网稳定性急剧下降。3.为了增加电网稳定性，需要新能源发电系统具备电压源特性以及能量存储和旋转备用功能，即能够组建光伏微电网系统，具备一定的电网电压和频率支持能力，向负载提供优质电能。目前基于电流源并网控制方式的光伏发电系统并不具备电压支撑能力，并且并入不同电网结构时其稳定性和动稳态性能有较大的差异，电网适应性较差。

需要解决关键问题：新能源发电系统的大规模并网以及大规模光伏电站的快速扩张，给电网的稳定性运行带来极为严峻的挑战。如何改善光伏发电系统的电网适应性，提供转动惯量和旋转备用以改善电网电压和频率稳定性，解决电能质量问题。

传统电力系统中，同步发电机组的下垂特性以及转动惯量大等因数在维持系统的电压和频率稳定方面起着关键作用。发电机组调节系统电压的过程分为三个阶段，第一阶段为发电机组依靠自身转动惯量调节系统的快速功率波动，当频率限额超出一定值，改变原动机功率输入来调节频率，即是一次调频。当系统功率恢复平衡后，移动一次调频曲线将频率拉回额定值。

利用储能系统能量可以提供惯量以及能量稳定的特点，提供下垂特性和转动惯量模拟发电机组上述特性，即采用虚拟同步发电技术，使得像发电机组一样参与频率和电压调节过程，就可以降低单纯新能源系统对电网的不利影响。