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《》项目总结报告东南大学
《基于虚拟同步发电机的多功能储能变流器研究》
项目总结报告
一、项目概况
东南大学电气工程学院王建华副研究员与宿迁山亿新能源股份有限公司项目合作承担江苏省产学研前瞻性联合研究项目“基于虚拟同步发电机的多功能储能变流器研究”，项目编号：
BY2015070-18，项目起止年限为2015年7月至2017年6月。
项目经费共45万元人民币，其中30万来源于省拨款，剩余15万来自东南大学自筹经费。
项目主要研究内容包括：
1、虚拟同步发电机理论及控制算法实现；
2、电网含谐波以及电网不平衡情况下电网同步技术；
3、电力电子通用平台技术。
二、项目实施情况
本项目系东南大学与山亿新能源股份有限公司联合实施，基于双方联合建立的江苏省企业研究生工作站平台，结合前期合作项目基础，共同实施完成，省拨及自筹经费均基本支出完毕。
制定的实施计划：
1、2015年07月至2015年12月
虚拟同步发电机理论建模、分析、算法仿真实现；
2、2016年01月至2016年06月
锁相环方案验证，电力电子通用控制器平台设计，样机制作；
3、2016年07月至2016年12月
原理样机实验验证，工程样机设计；
4、2017年01月至2017年06月
工程样机挂网运行，总结上述理论分析与实验验证结果，形成总结报告；
5、2017年07月至2017年12月
组织完成验收工作。
项目完成情况：
1、虚拟同步发电机理论及控制算法实现
虚拟同步发电机理论参照同步发电机的经典数学模型，将电力电子网侧变流器模拟同步发电机运行，使电力电子接口变流器具有同步发电机的输出特性，满足其接入电网可靠稳定的运行。
本项目针对三相四桥臂的逆变器拓扑结构，提出了一种虚拟同步机控制策略，使逆变器模拟同步发电机调频调压、惯性、励磁特性，并改进了VSG控制方法，加入电压电流双环。
针对平滑并网，设计了相位频率调节器与幅值同步调节器。
同时，提出了一种针对三相四桥臂VSG离网情况下带不平衡负载的自适应谐振控制方法，降低电压不平衡度。
2、电网含谐波以及电网不平衡情况下电网同步技术
本项目提出当电网电压不平衡及含有谐波时，利用对称分量法提取出的三相电网电压的正序分量，通过二阶广义积分SOGI避免电网谐波及突变影响，在电网谐波、不平衡、跌落等情况下均能完成与电网同期工作。
3、电力电子通用平台技术
本项目提出主电路及控制电路不改变，仅改变虚拟同步发电机控制部分算法，实现多功能运行，如SVG无功补偿。
本项目同时结合微电网应用背景加入了光伏模块与储能模块，提出一种协调控制策略，适用于多种新能源接入VSG，适应新能源时代的发展要求。
预算执行情况：
到目前为止，项目经费计划中省拨款、单位自筹资金已按计划到位，项目组所有单位对科技拨款严格按照科技经费开支单位的有关规定，专款专用，有力的支持了攻关项目的实验，保障了攻关项目的顺利完成。
具体项目经费的使用情况如下表所示。
项目来源
江苏省产学研前瞻性联合研究项目
项目编号
BY2015070-18
项目名称
基于虚拟同步发电机的多功能储能变流器研究
经费投入
经费支出
来源
投入数
科目
支出数
其中：
省拨款
支出数
投入合计
45
支出合计
45
29.987826
1、省拨款
30
（一）直接费用
42.029376
26.987826
2、部门、地方配套
1、设备费
3、承担单位自筹
15
（1）设备购置费
10.1246
0
4、其他来源
（2）设备试制费
（3）设备改造与租赁费
2、材料费
14.26732
14.26732
3、测试化验加工费
4、燃料动力费
5、差旅费
12.160276
7.243326
6、会议费
0.1
0.1
7、国际合作与交流费
8、出版/文献/信息传播/知识产权事务费
0.88218
0.88218
9、劳务费
4.495
4.495
10、专家咨询费
11、其他支出
（二）间接费用
3
3
其中：
绩效支出
0
0
经费结余
0.012174
三、项目技术情况
研究方法及技术路线：
本项目的研究采用调研、理论分析、建模计算、仿真验证、样机制作、实验验证路线展开研究及试制。
以传统同步发电机模型为参照，分析了将逆变器控制为同步发电机的可行性。
结合同步发电机的一次调频调压特性、转矩方程和电磁暂态特性设计了VSG的功率环路，模拟发电机外特性。
本项目针对三相四桥臂的逆变器拓扑结构，提出了一种虚拟同步机控制策略，使逆变器模拟同步发电机调频调压、惯性、励磁特性。
结合同步发电机并网条件，设计了一种频率相位和幅值同步控制器，实现平滑并网。
在静止坐标系与旋转坐标系下建立了系统数学模型，分析其耦合关系，选定在旋转坐标系下功率环后级联电压电流双环，改善动态性能。
提出了当电网电压不平衡及含有谐波时，利用对称分量法提取出的三相电网电压的正序分量，通过二阶广义积分SOGI避免电网谐波及突变影响，在电网谐波、不平衡、跌落等情况下均能完成与电网同期。
同时，提出了一种针对三相四桥臂VSG离网情况下带不平衡负载的自适应谐振控制方法，降低电压不平衡度。
仅改变虚拟同步发电机控制部分算法，实现多功能运行，如SVG无功补偿。
结合微电网应用背景加入了光伏模块与储能模块，配合VSG协调运行。
最后，利用MATLAB/Simulink进行了仿真，并进行了相关实验验证及样机研制、现场挂网运行。
项目解决的关键技术：
1、虚拟同步机控制策略能解决在微网运行中与大电网对接时所产生的电压电流冲击与有功无功支撑的调节问题；
2、电压电流双环结合VSG控制方法能改善微电网动态调节性能，改善单功率环调节波形质量差的短板；
3、提出二阶广义积分SOGI避免电网谐波及突变影响的与电网同期方法；
4、自适应谐振控制方法谐振频率点自适应变化，改善下垂控制带不平衡负载时采用传统谐振控制所产生的带宽不足问题；
5、提出一种协调控制策略，适用于多种新能源接入VSG，适应新能源时代的发展要求。
取得的突破性进展及创新点：
1、一种三相四桥臂的虚拟同步机控制策略，同样适用于三桥臂系统；
2、通过级联双环改进了传统下垂控制单功率环的调节效果；
3、一种预同步控制策略保证平滑并网效果；
4、一种自适应谐振策略解决VSG带不平衡负载频率变化引起的电压不平衡问题；
5、一种协调控制策略适用于各种新能源与VSG的对接。
四、合同任务指标完成情况
完成了合同主要约定的研究内容，具体为：
1、电网不平衡及含谐波时，变流器系统能够不脱网并入网支持；
2、基于虚拟同步发电机的双向储能变流器，从电力系统的角度上看，就像一台真正的同步发电机，离并网切换平滑，且能够参与稳定电网；
3、基于电力电子积木架构，主电路及控制电路不改变，仅改变虚拟同步发电机控制部分算法（而非整个算法），在一套平台上实现产品从储能变流器到静止无功发生装置、微电网的迁移。
项目完成后主要考核指标
1、获奖情况
[1]光伏并网逆变器关键技术、系列化装备及其应用，中华全国工商业联合会，中华全国工商业联合会科技进步奖，二等奖，2016（崔佩聚，王建华，尤鋆，赵剑锋，王涛）
[2]全系列模块化高效率光伏并网逆变器关键技术及应用，江苏省科技厅，江苏省科学技术奖，三等奖，2015（崔佩聚，赵剑锋，张运鑫，王建华，王涛）
2、提交一套10kW、一套100kW多功能储能变流器，一机多用，同时实现充电、放电、电能质量调节功能，效率>97%；
3、项目总结报告一套；
4、申请中国发明专利5件；
5、发表SCI、EI检索学术论文9篇，其中SCI期刊论文3篇，EI期刊论文3篇，EI会议论文3篇。
五、项目绩效分析
该项目的实施将全面掌握虚拟同步电机接入电网运行特性，为进一步管理和控制大量分布式电源接入做好技术储备，实现分布式电源及储能友好接入电网安全稳定、优质运行，具有重大的社会效益和经济价值。
成果推广后的直接效益：
企业储备领先市场水平的先进并网逆变器、储能变流器设计方案，引领市场走向，创造更多价值。
部分相关技术已用于目前公司产品，创造效益600余万元。
成果推广后的间接效益：
虚拟同步发电机技术的突破有助于降低分布式发电对配电网局部电压稳定和电能质量的影响，使得分布式电源符合配网功率因数和无功配置的要求；
通过虚拟同步这项纽带技术的革新可加强分布式电源与配网间的联系，使配网更好的约束分布式电源，形成相互支撑、服务电网的发展局面；指导分布式逆变系统以负责任的姿态并网，逐步变传统被动并网的模式为主动服务的虚拟同步模式，对公司承担可再生能源开发利用的社会责任、提升企业形象具有重要意义，同时符合节能减排及发展新能源的战略方向。
六、存在问题、有关建议及下一步研究设想
1、功率环路的惯性参数需要更明确的界定方法，其不仅模拟发电机的惯性，也是一个积分系数，影响系统调节稳定性。
处理好其惯性与稳定性间的关系需要进一步研究。
2、电网出现故障情况，如三相电压不平衡、单相短路等，此时VSG如何保证稳定运行，需要进一步研究，设计相关控制策略。
3、除光伏储能外的分布式能源接入，如交流型新能源接入时的协调控制策略。
4、产业化程度进一步推进，从实验室试点到示范及推广。
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