基于VSG的储能变流器多机并联控制策略的研究

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随着清洁能源的大力推崇,分布式电源为核心的微网技术得到了较大的提升。其中以太阳能、风能等清洁能源具有一定的间歇性、随机性等缺陷,通过电力电子器件接口进行大规模的集中式并网,由于接口具有低惯性、低阻尼等特点导致微网系统不稳定,而大规模的储能技术与虚拟同步发电机控制策略(Virtual synchronous generator,VSG)相结合可以提高系统的稳定性以及储能变流器(Power Conversion System,PCS)的运行性能,同时为了提高微网系统的整体容量以及可靠性的需求,多机并联势在必行。本文选用全钒液流电池为代表的电化学储能系统,在储能系统的基础之上,采用VSG算法通过模拟传统同步发电机的外特性为系统提供阻尼和惯性支撑,在多台储能变流器并联的系统中,各台储能变流器包括直流侧的电池与公共负载之间大多存在线路阻抗特性不可控的情况,会导致各变流器输出功率分配不均的问题,使得储能变流器(Power Conversion System,PCS)之间产生较大的环流并且影响系统的稳定运行。针对以上问题围绕针对全钒液流电池的建模、虚拟同步发电机建模、VSG并联系统的小信号稳定分析、虚拟阻抗自适应控制策略四个方面进行展开,主要研究内容如下:(1)首先对全钒液流的组成和构建原理进行了介绍,构建等效损耗模型、电化学模块、流体力学模块,并对混合模型建模,对电池的堆栈电压、堆栈电流、SOC等电池外特性进行了仿真,验证模型的可行性,同时验证全钒液流电池带载放电对PCS的输入输出电压电流均无明显影响。(2)基于电力电子接口具有低惯性、低阻尼特点,采用VSG算法。通过同步电机的机械部分模型以及电气部分模型来详细建模,并通过对虚拟同步发电机的建模,从有功调速器控制和无功励磁控制来阐述VSG算法的原理,通过仿真虚拟转动惯量和阻尼系数等对系统的功率以及频率的动态性能的影响。(3)在储能系统的基础上,对VSG并网模型以及VSG并联系统进行小信号建模,构建成状态空间表达式,并求出特征方程的根,并画出在不同的转动惯量、阻尼系数、下垂系数、调频系数、虚拟等效电感等参数的根轨迹的分布,可以看出特征根的走势是随着参数的变化而变化,即可判断出系统的稳定性也是随着特征根的走势而发生变化,根据控制系统的稳定性判断条件,为相关参数的选取提供了一个合理的选择范围。(4)在并联系统的稳定性分析基础上,针对采用虚拟同步发电机控制的多储能变流器的并联系统在低压线路中受到一定的局限性和线路阻抗不可控因素导致系统功率分配不均的问题,提出了一种自适应虚拟阻抗的控制策略,通过在电压外环中引入自适应的虚拟阻抗来减小任意两储能变流器输出端电压的差值,抑制系统环流的产生并消除线路阻抗导致的功率耦合,实现功率按额定容量比分配以及系统稳定运行,最后通过仿真验证该策略的可行性。
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