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发电机关于并网与单机切换技术介绍

更新时间：2020-10-26

并网/孤岛切换技术
具有同步发电机特的vsG可以等效为电压源。vsG可以天然友好地实现并网对孤岛模式的平滑切换，因为在计划孤岛或者非计划孤岛时，vsG脱离的瞬间，仍可以保持并网时的电压和频率，所以vsG在并网切换至孤岛模式的过程中不会出现明显的暂态响应。并且在脱离电网之后，vsG能够对本地负荷功率需求和功率给定值之间的偏差不断进行调节和修正功率参考给定值，使vsG达到新的电压和频率，以满足本地负荷的供需平衡。值得一提的是，在并网切换至孤岛模式的过程中一直会伴随着vsG对输出有功和无功的调节，即对电压和频率的调节。所提及的无缝切换的概念指的是区别于“有缝切换”发生短时停电的过程
为了满足VSG新的稳态平衡点对输出功率差值的供给，分布式电源一般需要配备一定容量的储能装置，进而保证VSG能够稳定运行在孤岛运行模式下。

1.孤岛/并网切换技术
电力系统中，为了避免同步发电机并入电网时产生冲击电流，一般要求并网前的同步发电机必须满足电压与电网电压一致，当电压幅值、相位或者频率中的任意一项与电网不一致时，同步发电机在并网过程中就会产生冲击电流，过大时会危害电力设备的安全和寿命。因此在虚拟同步发电机并网之前进行预同步控制是保证系统安全稳定运行的重要环节之一
非线模块锁相环对输入信号跟踪的准确和参数设计精度等问题都会影响逆变器是否并网成功，而且会使控制过程变得复杂，PI控制器参数调试比较困难。因此在锁相环准确或精度都不高的情况下并网，容易给逆变器并网切换造成困难和产生冲击电流，过大时将会减少电力设备的寿命，并会影响本地负荷的电能质量。若能去掉锁相环不但能够使控制过程大大简化，而且减少分布式电源的成本，故不带锁相环并网的技术是至关重要的。

2.虚拟同步发电机的惯量阻尼协同自适应控制策略
可再生能源具有随机和波动的特点会影响微电网频率的稳定状态，并对电网的安全运行造成一定威肋、。同步发电机的转子具有转动惯量并蕴藏大量动能，在电网发生大扰动或者面临故障时，同步发电机可以通过释放或者增加转子动能来与电网进行能量传输以保障电网的稳定。因此，同步发电机在针对电网频率波动等不稳定因素时，其系统具有较强的鲁棒。VSG模拟同步发电机的外特，也具有一定的转动惯量来调节频率，但是对频率和输出功率波动的承受能力远不及同步发电机，对于能源输入侧发生大的功率波动时，VSG的频率也会发生波动，过大的频率超调则会给系统带来严重危害
因此，在针对电网频率抖动等不稳定因素时，VSG考虑了电网的二次调频特，能够实现频率无差控制，但PI参数设计比较困难;提出了自适应调节的虚拟同步发电机频率控制方案，有效解决了PI参数设计问题。然而，均是在VSG运行于孤岛模式下进行频率分析的，忽略了VSG并网频率的稳定分析。提出了一种在并网模式下根据虚拟同步发电机角加速度和角速度偏差的变化选择合适的转子惯量来适应实际应用环境，此方法与传统固定不变的转子惯量相比，有效地减小了功率暂态响应过程中的频率超调，但是上述未考虑阻尼系数对频率稳定的影响;结合力学原理证明了转动惯量自适应变化的可行，有效考虑了阻尼系数对频率稳定的作用，并提出了自动调节转动惯量和阻尼系数交错控制的算法，提升VSG并网时系统的稳定。
对于VSG控制技术的逆变器而言，转动惯量和阻尼系数的选取是灵活多变的，可根据实际需求选择，不会受到物理条件的限制。首先分析小扰动下VSG的功角特，然后对惯量和阻尼对频率稳定的影响进行分析，并提出一种惯量阻尼协同自适应控制策略，改善了系统能，提高了系统稳定。
在MATLAB/Simulink仿真平台上搭建了VSG相关仿真。首先，对VSG孤岛(恒定负荷、负荷突变)和并网进行了仿真，仿真结果验证了VSG算法的可行和VSG具有调频调压特。其次，对VSG进行了无缝切换仿真，仿真结果证明了不带PLL的VSG预同步并网方案的可靠，VSG能够平滑并入电网，电压无畸变，电流无冲击，满足无缝切换的要求。后，在VSG并网时，对VSG惯量阻尼协同自适应控制进行了仿真，仿真结果证明所提出的惯量阻尼协同自适应控制策略能够在功率波动的情况下，减小频率超调，改善频率动态响应过程，提高系统频率的稳定。
随着大量分布式电源通过电子变流器接入电网，对电力系统高效稳定运行造成了一定影响。基于VSG控制技术的逆变器模拟了同步发电机的惯和阻尼等外特，提高了微电网的稳定。因此，围绕VSG控制策略展开研究，主要结论如下:
(1)建立了VSG控制系统。通过对同步发电机的二阶数学模型的分析，设计了VSG本体核心算法以及VSG功率控制器。
(2)提出了一种不需要PLL的预同步控制技术。根据对PLL的原理分析以及传统借助PLL预同步并网的原理分析，在同步旋转坐标系中将以电网电压作为参考轴改为以VSG输出电压作为参考轴，然后控制电网电压的娇由分量为。来实现VSG电压与电网电压的跟踪，进而实现孤岛模式下VSG平滑并入大电网。
(3)提出了一种VSG惯量阻尼协同自适应控制策略。针对可再生能源功率波动对系统频率的影响，通过分析惯量、阻尼与频率稳定的关系，设计了一种在频率暂态响应中可以自动调节惯量和阻尼的算法，抑制了频率暂态响应中的超调，加快了暂态响应速度，提升了系统的运行稳定和动态能。

虽然对VSG控制策略进行大量研究，但由于个人能力和时间有限，的研究还存在一些不足，有一些问题仍需继续完善:
(1)仅对提出策略进行了理论分析和仿真验证，没有对整个系统进行小信号分析，同时还需进一步搭建相关实验样机进行探究。
(2)只是分析了一台VSG的稳定和动态能，对实际微电网中多台VSG并联运行的作用机理需要进一步研究。

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