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微电网中多虚拟同步机并联运行有功振荡阻尼控制

随着分布式发电技术的不断推广与应用,微电网作为分布式电源的主要消纳手段之一成为当今研究的热点。微电网在孤岛运行时由于缺乏必要的惯性与阻尼,频率稳定性较差,很容易由于受到扰动而失稳。虚拟同步机(VSG)技术通过模拟同步电机(SG)的暂态特性,从而使分布式发电系统带有惯量和阻尼特性,为系统提供必要的惯量支撑。然而,VSG技术不可避免地引入了SG的转子振荡特性,特别当多VSG并联运行时在扰动下很容易引发功率振荡。因此,如何合理有效地抑制VSG运行时的功率振荡是VSG推广应用必须攻克的难题。
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论文所解决的问题及意义
论文提出了一种基于分布式通讯网络下多VSG并联运行的协调控制方法,通过相邻VSG间的附加阻尼控制,使得各VSG时刻趋于相同的输出频率,解决了扰动下VSG之间的瞬时有功功率分配不均的问题,从而有效地抑制了功率振荡。论文通过构造能量函数的方法证明了控制系统的稳定性。最后搭建了基于RT-LAB的半实物实时仿真平台,验证了所提策略的有效性。
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论文重点内容
(1) 多VSG并联MDDC运行控制策略

为了改善系统的动态性能,缩短暂态过程的时间,提出一种基于分布式通信架构的互阻尼(mutual damping under distributed communication, MDDC)控制策略,不需要全局通信,不需要附加测量装置,只需要邻居间将输出频率进行信息交互即可实现控制效果。具体的实现方法如图1所示:

微电网中多虚拟同步机并联运行有功振荡阻尼控制
图1 基于MDDC的改进VSG控制策略

(2)基于能量函数法的MDDC控制策略稳定性分析

构造能量函数其中,Ek表示系统的动能,Ep表示系统的势能。得到能量函数的导函数如式(1)所示,在互阻尼作用下系统暂态能量加速减少,可以更快地达到稳态运行。根据李雅普诺夫能量函数法可知MDDC控制策略是稳定有效的。



(3)实时仿真验证

论文搭建了基于RT-LAB的半实物实时仿真平台。上位机搭建微电网模型,并通过模型编译生成C代码的方式载入实时仿真机中运行。一台DSP对应一台VSG控制器以实现论文所提MDDC控制策略,每台DSP控制器上均搭载一块W5300网卡芯片以实现4台DSP的组网。四台DSP用网线与交换机相连,通过编写基于UDP协议的通讯代码实现VSG之间的信息交互。

微电网中多虚拟同步机并联运行有功振荡阻尼控制
图2 通信延时下系统频率响应波形

以通信延时下的系统响应为例。如图所示,当通信延时时间较小,VSG输出频率的暂态波动基本消失,动态响应性能得到改善。当通信延时时间较大,VSG的响应速度明显变慢且频率波形明显恶化,但是系统仍然能恢复稳态运行。
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结论
论文研究了微电网多VSG并联运行控制,针对系统内负荷波动导致的暂态过程中频率振荡问题,提出了一种基于分布式通信架构的互阻尼控制策略(MDDC)。

1)建立了多VSG并联运行的小信号模型,得到了负荷波动情况之下各VSG的频率响应状况,并分析了有功频率振荡的机理。

2)提出了MDDC控制策略,通过相邻VSG之间的互阻尼作用以改善系统的动态响应性能。该控制策略仅需要VSG之间少量信息的分布式通信即可实现。

3)通过构造能量函数的方法分析系统稳定性。在互阻尼作用下,系统的暂态能量加速减少,暂态过程加速结束,稳定性提高。

4)半实物实时仿真结果表明,和传统VSG控制相比,论文所提MDDC控制策略能大大缩短系统的暂态响应时间,改善系统的动态响应性能。同时,MDDC控制策略的通信延时裕度较高,并且在通信故障工况下仍然具有优良的控制性能。
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