弱联络条件下并网虚拟同步发电机小干扰稳定分析

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2021-09-06 08:24 热度：

摘 要：摘要：文中研究了弱联络条件下并网虚拟同步发电机的小干扰振荡稳定性问题。首先，建立了并网虚拟同步机的简化线性化模型;然后，结合劳斯稳定判据理论，推导了并网虚拟同步机的

　　摘要：文中研究了弱联络条件下并网虚拟同步发电机的小干扰振荡稳定性问题。首先，建立了并网虚拟同步机的简化线性化模型;然后，结合劳斯稳定判据理论，推导了并网虚拟同步机的小干扰稳定性判据。对稳定性判据的进一步分析表明：无论电网强度以及控制参数变动，并网虚拟同步机总能保持稳定运行。所以，弱联络条件不会给并网虚拟同步机带来振荡失稳问题。最后通过仿真算例，演示并验证了理论分析的正确性。

　　关键词：并网虚拟同步发电机;小干扰稳定性;弱联络

　　0引言

　　为应对越发紧张的能源形势，大量的新能源机组接入系统，新能源机组低惯性的特征对电网频率稳定性有不利影响[1-3]，传统的矢量控制方法在弱连接条件下由于锁相环带宽限制而呈现负阻特性，不利于维持运行稳定性。为响应电网标准[4-6]对新能源发电系统提出的频率调整需求，并改善机组惯性响应，并网虚拟同步机(VirtualSynchronousGenerator，VSG)[7]利用控制回路模拟了传统同步机的惯性与阻尼响应，在新能源接入系统[8-13]中得到广泛应用，并能够在弱连接条件下保持稳定运行。

　　有关并网VSG的振荡稳定性常结合电网强度进行讨论，能否在弱连接条件下保持稳定运行成为风电系统控制稳定性的重要评判标准[11-22]：为了避免锁相环的不利影响，文献[11-12]提出采用无锁相环的VSG控制方式以增进双馈异步风力发电机(DoublyFedInductionGenerator，DFIG)在弱连接条件下的运行稳定性;文献[9-10]证明对于DFIG风机而言，在同样电网强度下VSG控制的振荡稳定性优于传统矢量控制。在此基础上，利用系统短路比(ShortCircuitRatio，SCR)[22-23]等相关概念，近年来大量文献集中讨论了VSG控制振荡稳定性与电网强度的关联：文献[9]中通过DFIG风机中VSG模式随SCR的分布规律证明了在电网强度极弱情况下(SCR=1)VSG控制仍保持振荡稳定，且并网DFIG-VSG系统振荡稳定性随SCR减小而增强;文献[14,21]基于序阻抗法理论，利用奈奎斯特(Nyquist)曲线判定电压控制型VSG控制在SCR=1情况下振荡稳定;文献[19]基于阻尼转矩分析理论，利用虚拟转矩系数量化SCR对VSG模式稳定性影响，并通过仿真研究了并网VSG在低SCR区间的振荡稳定性情况。以上文献对于弱连接条件下VSG振荡稳定性的研究，由于其选取的对象并不统一，并且其结论一般根据有限的仿真案例进行统计得到，所以其结果往往有局限性，并且没有给出通用的证明;文献[24]等利用劳斯判据等稳定性理论对永磁同步发电机(PermanentMagnetSynchronousGenerator，PMSG)进行降阶并提炼得到通用的稳定判据，为并网VSG的振荡稳定性分析提供了思路。

　　为了研究分析并网VSG振荡稳定性与电网强度之间的关系，本文的组织架构如下：首先，建立并网VSG的简化线性化模型;在此基础上，利用劳斯稳定判据与系统短路比给定系统振荡稳定判定条件;最终，利用并网VSG算例，通过仿真结果揭示了电网强弱不会影响振荡稳定性的规律，验证了线性化模型与振荡稳定判定条件的正确性。

　　2算例分析

　　为验证本文提炼有关小干扰稳定分析的正确性，本节将进行算例分析验证。算例系统采用IEEE第一标准测试系统[25]，并根据算例需求进行了相应改进，该系统结构如图4所示。与第一标准测试系统相比，图4所示算例有如下改进：(1)将第一标准测试系统中同步发电机替换为一个并网VSG系统;(2)为简化研究，考虑忽略算例系统内输电线路的电阻。

　　算例A关注控制参数变动情景下的并网VSG系统小干扰稳定性，分别按照VSG控制参数M、D作为自变量，算例B关注与外部系统弱交互情况下核算不同电网强度下的振荡稳定性，按照输电线路电抗参数Lx以及并联台数N作为两个影响SCR的两个因素进行讨论。算例A、B均图2对应的4阶并网VSG线性化模型进行模式计算，并与时序仿真结果对照检验振荡稳定性判据的正确性。

　　算例采用MATLAB进行模型搭建，采用具体控制参数在对应算例中给定，算例时域仿真条件设定为并网VSG在0.5s~0.6s功率减少5%，观察仿真波形为并网VSG的有功出力。

　　2.1算例A-并网VSG控制参数变动

　　在1.2节分析中，无论并网VSG参数如何选定，均不会带来接入电网强度变化只要满足唯一稳定判据条件SCR>1，并网VSG系统都不会发生振荡失稳;在算例A中，选定并网VSG容量为0.15p.u.(15MW)，功率因数为1，主网与并网VSG间输电线路电抗为Lx=0.3p.u.，选定不同的VSG控制参数以检验并网VSG振荡稳定性，选定两种不同的参数变动条件，即条件(a)：M参数不变，D由5变动至1;条件(b)：D不变，M由2变动至6。所得模式计算结果如图5与表1所示。

　　图5对应的VSG模式轨迹图表明，参数变动条件(a)下，D参数的减小导致VSG模式向复平面右侧移动，VSG模式阻尼减小;参数变动条件(b)下，M参数的增大导致VSG模式向复平面右侧移动且VSG虚部减小，对应地，VSG模式阻尼与振荡频率减小。然而，VSG控制参数变动并没有为并网VSG带来振荡失稳的风险，对照表2中劳斯阵列表系数计算结果，无论VSG控制参数如何变动，所有系数均大于0，并网VSG系统根据劳斯判据判定处于稳定状态。对应的非线性仿真结果如图6所示，证明了模式计算结果与稳定判据的正确性。

　　3结束语

　　本文针对并网VSG进行了振荡稳定性分析，主要结论如下：

　　1)本文给出了并网VSG的线性化模型，通过劳斯判据稳定性理论，结合系统短路比概念，给出了并网VSG的振荡稳定性的理论证明，并通过模式分析与仿真结果证明了电网强度与控制参数变化对并网VSG振荡稳定性影响小的结论。

　　2)影响并网VSG接入电网强度的主要因素为传输线路电抗与并联台数，传输线路参数大，并联台数多时，与电网联络越弱，此时并网VSG仍能保持稳定运行，通过仿真算例验证了有关振荡稳定性的规律与定性结论。

　　3)VSG控制参数能够影响VSG模式分布位置，但参数调整不会导致并网VSG振荡失稳;当虚拟惯性常数M增大、虚拟阻尼常数D参数减小时，VSG模式振荡稳定性降低。

　　本文推导的振荡稳定性相关证明为并网VSG振荡稳定性与电网强度之间关联提供了通用判据，证明了并网VSG在弱连接条件下的运行稳定性，这为高比例新能源接入情景的控制方案的指定与选择提供了参考。——论文作者：柯贤波1，孙谊媊2，任冲1，王衡2，亢朋朋2，高瑞林3

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文章名称：弱联络条件下并网虚拟同步发电机小干扰稳定分析

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