虚拟发电机研究.docx

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虚拟发电机研究

摘要

分布式发电的快速发展使其在电网中的比重日益变大，增加了分布式电源安全、稳定并网的难度。

消除分布式电源接入电网时对电力系统的不利影响，要求其在提供电能的同时也具有相应的电压频率和幅值支撑能力。

虚拟同步发电机技术作为一种能够使分布式电源主动参与电网功率调节的控制方案，受到了广泛关注。

虚拟同步发电机的根本在于对同步发电机特性的模拟，即一次调频特性、一次调压特性与惯性。

本文先阐述对分布式发电与虚拟同步发电机的认识，并简要介绍同步发电机的工作原理。

接着分析了虚拟同步发电机的设计原理和现有虚拟同步发电机的技术方案。

最后提出对拓扑结构和控制策略的设计，用MATLAB/SIMULINK搭建虚拟同步发电机的仿真模型，并进行仿真和对仿真结果的分析。

虚拟同步发电机技术的应用，确实提高了电力系统的稳定性，实现了频率和电压的无差控制。

虚拟同步发电机技术很好的改善了电网的稳定性，具有深远的发展前景。

关键词：

电力系统；虚拟同步发电机；一次调压；一次调频；虚拟惯性

ABSTRACT

Inthispaper,Growingproportionofdistributedpowerinpowergridbecauseofitsrapiddevelopment,increasethedifficultyofdistributedpowersafetyandsteadilyparallelinpowergrid.Inordertoeliminatedistributedpowergridontheharmfuleffectsofelectricpowersystem,thedistributedgenerationalsomusthaveitscorrespondingvoltageamplitudeandfrequencysupport.Virtualsynchronousgeneration（VSG）attractedmuchattentionasakindofcontrolplancanmaketheactiveparticipationofdistributedpowergridpowerregulation.ThemostimportantofVSGisthesimulationofthesynchronousgeneratorcharacteristics.Thesecharacteristicsarefrequencyregulation,voltageregulationandvirtualinertia.ThispaperfirstexpoundstheunderstandingofdistributedgenerationandVSG,andmakeabriefintroductiontotheprincipleofsynchronousgenerator.ThenanalysistheprincipleofVSGandtheexistingschemeofVSG.Finallyputsforwardthetopologicalstructureandcontrolstrategydesign.SetupusingMATLAB/SIMULINKsimulationmodelofVSG,anddothesimulationandanalysisofresults.TheapplicationoftheVSGtechnologydidraisethestabilityofpowersystemandrealizethenodifferencefrequencyandvoltagecontrol.TheVSGtechnologyhasgreatlyimprovedthestabilityofpowergrid.TheVSGhasprofounddevelopmentprospects.

Keywords：

electricpowersystem；virtualsynchronousgenerator；voltageregulation；frequencyregulation；virtualinertia

1前言

1.1选题的目的及意义

选择“分布式发电中的虚拟同步发电机的研究”课题作为本毕业设计的任务，学习同步发电机频率及电压控制原理，理解现有的虚拟同步发电机控制方案，认知其在分布式发电中的重要作用。

如今，电能已经成为居民生活的必需品，而且人们对电能质量的要求也日益提高，如何更高效的提供高质量的电能是时代对当今电力技术提出的要求。

基于可再生能源（如风能、太阳能等）的分布式发电技术成为人类应对能源危机和环境污染的重要手段之一，近年来越来越受到重视[1]。

分布式发电迅速发展，其装机容量越来越大，如何将其高效、稳定的并入电网成为各方大力研究的课题。

早期将分布式电源看作不可控发电模块的控制方法已经不适用于现状，甚至会对电力系统的安全性、稳定性产生不利影响。

因此，分布式电源不能只是向电网提供电能，还应具备一定的电网电压幅值和频率支撑能力，以维持电网的稳定运行[2]。

因此，有学者提出了下垂控制方法[3]。

这种方法虽然为电网提供了频率和幅值上的支撑，但是同步发电机特有的惯性特性没有得到体现，即在电网中出现有功功率供需不平衡时，无法通过转动惯量来抑制电网频率的快速波动。

基于这方面的考虑，在控制回路中加入了虚拟惯性环节，就此形成了较完备的虚拟同步发电机的概念[4,5]。

发展到今天，微电源并网策略仍然有很多问题需要深入探究，因此对虚拟同步发电机的研究就显得尤为必要。

从稳定性的要求出发，虚拟同步发电机仍需利用电力电子控制的灵活性对技术的进一步创新；稳定频率与动态均流之间的矛盾仍需调和。

由于时代的发展要求与自身的限制问题的存在，在虚拟同步发电机上的投入必然增加，该技术的发展进步极大地推动了并网的稳定性[6]。

1.2分布式发电现状

发展到2013年，光伏发电装机容量已然增至139.637GW[7]。

在全球范围内分布式光伏发电的装机容量占据相当大的比重，像德、日、美等国家，都对其数量有指标上要求,他们在利用可再生能源时都是在低压配电测接入发电机组。

而对于中国来说，虽然光伏发电相对较晚，但仍然紧跟世界的脚步，从2002年开始发展，期间陆续发布多项政策支持分布式发电。

我国国家能源局指出，在国内新增15GW的光伏发电，特别提到要实现3.15GW以上的分布式光伏屋顶。

由此可见，电力系统中的分布式能源占比呈现增长趋势，相应的传统能源比例就会减小，可再生能源的分布式利用将是电力研究的热点[8]。

1.3虚拟同步发电机的发展

分布式发电技术面临着诸多挑战。

其接入电网通常具有不易调控性；当前配电网仍然无法稳定地接受分布式电源；并网逆变器等关键部分的优化等。

为解决与改善上述问题提出的虚拟同步发电机的控制方法，其对提高分布式电源大规模接入电网的能力具有重要的理论意义和应用价值[9]。

虚拟同步发电机的设计理念是对电力电子器件加以控制来模拟同步发电机的外特性，使逆变器能够参与系统的调压及调频工作[10],进而满足电网的平稳性、安全性要求。

自虚拟同步发电机概念的问世以来，学者在这方面进开展了许多研究，不断的改进控制算法，使其日趋成熟。

起步时期，鲁汶大学提出了“VSG”技术[4],它只是模拟了调频特性和转子惯性。

这个方案还是有较大的不足，它其实并没有考虑对励磁加以控制来调节无功电压。

缺少了励磁调节，就使其无法准确表达出传统同步电机的运行原理。

同时代的克劳斯塔尔工业大学提出的“VISMA”方案[2]就有了一定进步，它弥补了上述分析中的缺点，在工作特性上与传统同步发电机更相似。

从外特性上看，这两类控制方法都等效于受控的电流源，因此在微电网环境中无法良好地提供电压支撑作用，也就无法进行离网的孤岛模式的运行。

针对这个问题，另有学者提出了电压控制型的虚拟同步发电机技术[6]。

在这个方向的引导下，以后的控制方式克服了上述的种种不足并有所改进，愈加接近于同步发电机的特征。

这项课题的进步对减少环境污染、促进能源利用具有很大的现实意义，它会更多的进入人们的视线，更多的产生研究成果。

2同步发电机原理简介

2.1同步发电机的基本结构

同步发电机是由静止的定子和转动的转子两个主要部分构成，定子是由导磁的铁芯、导电的三相绕组和固定铁心用的底座和端盖等部分构成，在系统中的作用是产生旋转磁场和接收电能。

同步电动机的旋转转子有两种结构形式，一种是有明显磁极的，称为凸极式，如图2.1左图所示；另一种转子呈圆柱形状，并无明显磁极，叫做隐极式，如图2.1右图所示。

图2.1旋转式磁极

2.2同步发电机的运行特性

2.2.1空载特性

同步发电机的空载特性是指其在标定的转速下，同步电机只加入励磁而且不并入电网时的特征。

这个时候同步发电机中的励磁磁势Ff会随着转子进行同步的旋转,就在电枢绕组中感应出励磁电势E0。

当同步发电机空载运行时，其空载特征表现为励磁电动势随着励磁电流的变化而变化的数量关系。

数学表示如下：

（2.1）

图2.2同步发电机的空载特性曲线

式（2.1）中nN为同步发电机的额定转速，E0为感应出的励磁电动势，If为励磁电流。

从图2.2可以得出结论，在励磁电流较小的时候，此时的磁通也较小，电机的磁路也就没有达到饱和状态，空载特性呈现直线（气隙线是将该直线延伸之后的射线）。

随着电路中励磁电流的慢慢变大，磁路慢慢达到饱和状态，磁化曲线由此进入饱和阶段。

2.2.2电枢反应

当三相对称负载接入同步发电机的电枢绕组后，电枢绕组就会和负载一起构成一个闭合的回路，该通路中流过的电流即是三相对称的交流电流。

这个三相对称电流会经过同步发电机的三相对称绕组，此时就形成一个与转子同速的旋转磁势。

该磁势的出现，使同步发电机负载之后在其内部又产生了一个旋转磁势，称为电枢旋转磁势Fa。

综上分析，三相对称负载接入同步发电机之后，发电机中共有两个磁势：

一是随轴同转的转子磁势Ff，二是电枢的旋转磁势Fa。

由此总结出电枢反应的概念，即电枢磁动势在气隙中作用于气隙磁通，使其大小与位置产生相应的变化。

2.2.3频率及电压控制原理

同步发电机的有功调频特性及无功调压特性直接对大电网的频率及电压的产生作用。

电力系统频率的变化调节过程具体表现为同步发电机输入机械功率及输出电磁功率的变化及调节过程[11]。

起初时刻当电力系统的有功功率发生改变时，导致输入的机械功率和输出的电磁功率之间失衡，因为同步发电机特有的机械惯性和阻尼作用，频率发生改变的过程就会相应变缓。

随后产生一个系统频率的偏移量，原动机据此进行调速，进而使其输入机械功率随之变化，达到改变转速、维稳频率的目的。

这个过程称为一次调频特性，这个调节方式的调控范围有限，是有差调节。

电力系统电压的变化及调节过程具体表现为系统无功负荷变化及同步发电机励磁调节过程[12]。

系统的无功功率发生改变时，导致线路电压发生改变，系统的压降也会发生改变。

这时同步发电机中产生电压上的偏移量，并据此来调节励磁，从而抑制压降变化的幅度。

2.2.4同步发电机的功率及转矩方程

图2.3中P1为原动机输入的机械功率；PΩ表示包括轴承及电刷的摩擦损耗产生的机械损耗；PFe称为铁耗，是指发电机的主磁通在铁磁材料中交变时所产生的部分损耗，Pad是指由于电枢铁心结构、电枢反应引起气隙磁场畸变等原因造成的难以精确计算的附加损耗，Pcua是