【摘 要】
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随着新能源渗透率的提高,大量以低惯量、弱阻尼为特征的分布式能源通过并网逆变器接入电网,同步发电机所占比重相对降低,电网中的旋转备用和转动惯量有所减少,电力系统趋向于电力电子化。以风能、太阳能为代表的新能源具有强随机性、波动性的特征,这一特征加剧了电力电子化电力系统稳定运行和控制的难度。有研究提出通过在并网逆变器控制器中实现同步发电机（Synchronous Generator,SG）的调频调压特性
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随着新能源渗透率的提高,大量以低惯量、弱阻尼为特征的分布式能源通过并网逆变器接入电网,同步发电机所占比重相对降低,电网中的旋转备用和转动惯量有所减少,电力系统趋向于电力电子化。以风能、太阳能为代表的新能源具有强随机性、波动性的特征,这一特征加剧了电力电子化电力系统稳定运行和控制的难度。有研究提出通过在并网逆变器控制器中实现同步发电机（Synchronous Generator,SG）的调频调压特性,弥补分布式能源电压和频率的支撑能力,这种算法被称为虚拟同步机（Virtual Synchronous Generator,VSG）。在提高系统频率支撑能力的同时,VSG中也存在与SG类似的功角稳定问题,本文主要对VSG的功角特性及稳定问题进行研究。首先,本文从VSG的数学模型出发,对VSG的输出功率外特性进行了分析。在有功无功可以实现解耦控制的条件下,设计了VSG的功率外环和电压电流内环控制方案,建立了VSG功率外环的小信号模型,分析了主要参数对系统稳定性的影响。其次,在VSG有功功率无功功率满足解耦控制条件的条件下,对VSG的有功控制环节进行研究。通过对VSG有功环节的惯量阻尼特性的分析,指出了传统VSG的惯量阻尼控制不能兼顾系统的动态的响应速度和静态的控制精度的矛盾。为此,本文提出了虚拟功率的概念,推导并获得了惯量支撑功率和阻尼功率的表达式。通过对虚拟功率幅频特性的分析,设计了一种综合惯量控制和阻尼控制的新型虚拟功率控制方法,命名为广义PSS控制方案。随后,建立了新型VSG控制策略的小信号模型,并对其控制参数进行了详尽的分析讨论,说明了广义PSS控制方案能够更加灵活地控制系统增益的原因。最后给出了新型VSG控制策略的参数整定方法,并进行了仿真验证。最后,为了扩展基于广义PSS的VSG控制系统的应用范围、降低该模型的参数设计复杂度,本文建立了VSG的一般化小信号模型,并借鉴传统电力系统中的分析方法,定义了VSG的虚拟转矩系数。另外,文中将广义PSS控制结构扩展应用到了无功功率控制环节。在此基础上,推导出了虚拟转矩表达式,并将表征系统振荡模态的特征根引入到了虚拟阻尼转矩系数的表达式中。最后通过系统特征根分析验证了虚拟阻尼转矩方法在判定系统稳定性上的正确性,并通过仿真实验对分析结果进行了验证。
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