虚拟同步机的参数自适应控制及其稳定边界分析

In order to achieve the effective integration between power electronic converters’ flexibility and traditional synchronous generators’ stability mechanism, this proposal aims to expand the stability boundary of virtual synchronous generator (VSG) by its parameter adaptive control strategy. This research contents: 1. Virtual inertia time constant modeling and analysis, which will define the adjustable range of virtual inertia in the view of physical essence. 2. For dynamic stability, dynamic vector model in wide frequency range and Z domain discrete model considering digital control system parameters will be built, then be used for analysis of power oscillation and synchronous frequency resonance phenomenon. The key parameters online adjustment scheme will be proposed for power oscillation suppression. 3. For transient stability, transient stability analysis method will be explored and used for analyzing the instability mechanism caused by VSG current limit setup. The adaptive virtual inertia control strategy will be presented for VSG transient stability enhancement. 4. The performance of VSG will be evaluated and verified by experiments, which will be done under complex load conditions, including load step disturbances, power-electronic-based constant power load and so on. The research will promote distributed generation units based on VSG principles friendly connected to the main grid and capable of plug and play. It will also support the development of China's new energy power generation industry and grid-connected equipment manufacturing industry.

为实现电力电子变换器灵活性与传统同步发电机稳定机制的有效融合，本项目通过研究虚拟同步机的参数自适应控制策略，以达到拓宽其稳定边界的目的。具体包括：1. 完成虚拟惯量时间常数建模与分析，从物理本质上界定虚拟惯量的可调范围；2. 针对动态稳定问题，建立虚拟同步机的宽频域动态矢量模型以及考虑数字控制系统参数影响的Z域离散模型，分析功率振荡以及同步频率谐振的发生机理，提出通过关键参数在线调节来抑制功率振荡的实现方案；3. 针对暂态稳定性问题，探索暂态稳定性分析方法并阐明虚拟同步机电流限幅所引起的暂态失稳机理，提出可增强暂态稳定性的虚拟惯量自适应控制策略。4. 在复杂负荷环境下，通过实验评估和验证虚拟同步机在负荷阶跃扰动、恒功率电力电子负荷等情况下的运行性能。本项目的开展将促进基于虚拟同步机原理的分布式电源即插即用、友好并网，推动我国新能源发电事业与并网设备制造业的发展。

本自然科学基金项目的研究目标是针对虚拟同步机与传统同步发电机在硬件物理约束以及控制时间尺度上的区别，通过参数自适应控制策略拓宽虚拟同步机的稳定边界。针对虚拟同步机的等效储能环节，从物理本质上界定虚拟惯量的可调范围；研究功率振荡以及同步频率谐振的产生机理，并通过关键参数在线调节来抑制功率振荡的实现方案；寻找适用于虚拟同步机暂态稳定性分析的方法，从理论上解释虚拟同步机电流限幅所引起的暂态失稳机理，并提出可增强暂态稳定性的虚拟惯量自适应控制策略。进而，促进电力电子变换器灵活性与传统同步发电机稳定机制的有效融合。.本基金项目的研究内容主要包括以下三个方面：1：虚拟同步机物理层面的特性方面，从研究跟网型变流器所具有的低等效惯量特性入手，分析储能环节对虚拟同步机惯性的物理限制；以励磁电路、转矩分量等物理概念研究并解释虚拟同步机无功功率控制特性，及内环电压与电流控制特性。2：虚拟同步机控制策略实现与参数设计方面，以离散控制对电压及电流环的参数进行合理优化设计，以解决谐振与不稳定问题；针对大功角情况下的功率耦合问题，提出了解耦策略以提高设备输出功率精度；针对线路电感与虚拟励磁电路的负阻尼效应，提出虚拟电力系统稳定器以抑制振荡不稳定。3：虚拟同步机的多场景适应性研究方面，将虚拟同步机推广并应用至基于模块化多电平的柔性多状态开关、三相四桥臂变流器当中。.在基金项目的资助下，本课题组已基本完成了所有的研究内容。本项目有效地解决了虚拟同步机在未来高比例新能源系统中融合的关键性难题。该项目已经资助发表了学术论文14篇，其中高水平国际期刊论文4篇；申请发明专利4项(其中3项已获授权)，取得了良好的学术成果。鉴于项目所取得的成果，申请人与内蒙古电力公司建立了紧密的合作关系。申请人应邀参与了虚拟同步机技术-导则(GBT38983.1-2020)标准的制定。凭借项目资助，申请人团队中多名学生成员开展了多项国际学术交流活动。.