本文是一篇电气工程论文，本文深入研究了一种在微电网中逆变器的控制策略—VSG控制。VSG控制就是将同步发电机的调频调压特性引入到逆变器的控制策略中，本文对VSG的数学模型、功率分配以及VSG的并网方法展开研究
第一章绪论
1.1课题的研究背景及意义
2020年，我国提出“双碳”国家战略目标，具体含义是在2030年前使二氧化碳排放量几乎达到峰值，实现在2060年前实现碳中和的目标[1]。碳中和的意思是让产生的温室气体排放总量，达到相对“零排放”。百年来，人类需要的电、热等能源都由化石能源提供。但是化石能源容易产生一些甲烷和大量的二氧化碳，导致酸雨和气候变化、危害环境，会造成全球变暖，这对于人类的可持续发展来说是不利的。所以，碳中和在能源革命打响了第一枪。微电网可以处理大量分布式电源并网问题，同时，微电网具有节能、可靠性高等特点，优点是提高了电网吸收清洁能源的能力。最近几年，我国加大了对可再生资源的研究和开发力度，可再生能源发电在我国电力系统中的比重开始逐年上升。火力发电是通过同步发电机（Synchronous Generator，SG）接入电网，在负荷大幅波动时，通过释放转子动能，避免电网电压和频率发生波动，保证电力系统的稳定运行[2]。与传统的火力发电不同，光伏、风电等新能源发电受到光照、温度等环境条件的限制[3]，因此新能源发电所产生的电能一般不能够直接接入到大电网中。电力电子变换器无转动惯性和阻尼，并且具有很明显的缺点，如过载能力差、输出阻抗小。当清洁能源通过电力电子变换器并网时，会使电网出现低惯量、欠阻尼等问题，因此如何实现大量新能源发电的并网是非常有研究意义的[4-6]。逆变器作为微电网中最重要的设施之一，它有电能变换的功能、是电网连接的桥梁等。在越来越多的分布式能源并网的背景下，如果在电力系统中采用电力电子变换器，就会对稳定性造成影响，尤其体现在系统频率和安全方面。因此，这就对逆变器提出了能模拟同步发电机组的要求，进而为系统提供频率支撑和功率调节，实现友好型并网。
1.2国内外研究现状
1.2.1微电网控制研究现状
微电网具有复杂且灵活的结构，不同的分布式电源的分布情况会随着气候条件的不同而不同。其工作特点如下：
（1）灵活性：微网系统在孤岛运行时，微网的储能系统可以快速追踪负荷变化，独立为系统的负载补充所需能耗，不受并网系统干扰，灵活性很强。
（2）稳定性：随着负载侧对电能质量要求的增加，需要保证输电和配电的效率，而微电网的结构简单，损耗小，发电和配电的效率高，稳定性强。
（3）经济性：传统大电网中，远距离输配电是需要大量人力物力的，并且存在电能质量不稳定的问题，微电网可以有效的节省大量资金投入。
（1）国外研究现状
美国电力可靠性技术解决方案学会最早提出了微网的定义，随后各国先后提出了相关概念[7]。CERTS在Wisconsin大学建立了研究所，进行微电网技术的相关研究，美国电力公司(American Electric Power，AEP)又进行了资助,建立了CERTS的微电网示范平台来进行研究。美国建立了200多个微网项目，在全世界范围内最多。日本在仙台、京都等地已建好微网工程，可以向用户群供电[8-9]。微网可以孤岛运行，也可以并入电网运行，微电网由分布式电源、储能装置、保护装置、用户设备、电力电子装置及其他部件按照一定拓扑组成。欧洲的微电网研究重点在于智能与多元[10]。欧盟的第五框架工程、德国 Wallstadt 项目、丹麦 ELTRA 工程等许多项目成功显著[11]。
关于微电网的控制问题，此处介绍分布式电源的最大功率跟踪问题，文献[12]采用电导增量法并改进，采用了多种方法将他们进行结合，有变步长电导增量法、基于粒子群优化的神经网络方法；文献[13]采用扰动观测法并进行改进，通过电压降低的概念提出了下降原理，降低微电网运行的功耗，还可以增加功率储备；文献[14]对微网不同储能系统的模型进行了研究，如常规模型、理想直流电源模型、双向三相转换器模型。
第二章 VSG控制原理
2.2虚拟同步发电机控制策略的主电路拓扑
目前，随着国家“双碳”目标的深入实施，基于可再生能源的微电网受到了持续的关注，更多的分布式能源与大电网相连是通过逆变器完成的。同步发电机具有大惯性，并且阻尼及频率稳定性好。把发电机的阻尼环节与惯性环节引入，如此逆变器就能展现出与同步机相同的外特征，达到提高微电网稳定性的目的。图2.1是VSG控制主电路拓扑。主电路采用的是三相桥式拓扑结构。逆变器采用LC滤波器，其中L为滤波电感，C为滤波电容；电感XL和电阻RL表示了线路阻抗。直流电压源用Udc表示，直流电压经逆变器与滤波器后，依次通过功率计算模块、VSG模块及电压电流双闭环模块，并且产生了电压信号作为调制信号，控制开关管的导通和关断，这样逆变器就能模拟同步发电机的运行特性。
2.3虚拟同步发电机控制原理
同步发电机在实际生活中的数学模型很复杂，由于同步发电机具有调频调压特性，以及同步机输出阻抗呈大感性的特点，所以，简化虚拟同步发电机的模型，令其极对数p=1，设置同步机为隐极机；忽略机械损耗、磁路饱和和气隙不均带来的影响。
2.3.1定子电磁方程
同步发电机的电气特性由定子方程模拟。通过在VSG中加虚拟阻抗，可以模拟同步发电机输出阻抗呈大感性的特点，有利于多逆变器的并联运行。让虚拟阻抗中的电抗值远大于电阻值，VSG定子方程的表达式如下：
E=U+I𝑅𝑉+Ji𝑋𝑉 (2.5)
其中，VSG的输出端电压用U表示，对应同步发电机的定子端电压；励磁感应电动势是E，I为定子电流；虚拟电阻用Rv表示，虚拟电感用Xv表示，对应定子电枢的阻抗。
第三章 风光储微电网建模 ................................ 16
3.1 风力发电系统原理 ............................ 16
3.1.1 风力发电机原理 .................................. 16
3.1.2 风力发电MPPT控制 ............................. 19
第四章 VSG多机并联功率分配 ...................... 30
4.1 VSG功率传输特性分析 ............................ 30
4.1.1 引言 ............................ 30
4.1.2 参数匹配设计 .................................. 30
第五章 VSG并网预同步控制策略 .................... 50
5.1 引言 ................................ 50
5.2 同步发电机的自发电特性 ........................... 50
5.3 传统PLL预同步控制 ............................ 52
第五章 VSG并网预同步控制策略
5.2同步发电机的自发电特性
传统同步发电机主要有两种并网方式，分别是自同步并网和准同步并网。通过VSG技术，能模拟同步发电机的特性，将新能源发电系统看作同步发电机，图5.1是将VSG看作同步发电机并且并入电网的简化模型。
传统预同步控制方式是基于锁相环（PLL）的原理实现的，即由逆变侧电压提供幅值，由电网侧电压提供相角的电压，然后通过派克变换得到电压，跟随指令值进行PI控制，把得到的角速度偏差在有功环的角速度中加入。补偿量趋于０时，此时平滑并网运行。传统预同步控制方法需使用多个坐标转换器，存在结构复杂等缺点。本文改进了预同步控制的实现方式，考虑PCC两侧电压的幅值差、相位差和频率差，通过虚拟功率平衡偏差量，可简化预同步的结构。
第六章 总结与展望
6.1总结
本文以采用VSG控制的风光储系统为主要研究对象，对VSG功率分配实现方法加以改进，结合仿真结果对相关特性进行验证。本文取得的研究成果如下：
(1)介绍了微电网技术研究的背景、意义与国内外研究现状，研究风光储微电网，介绍了风光储微网的结构。
(2)阐述VSG控制策略的原理与结构，建立VSG控制模型。在微电网中分析采用VSG控制的逆变器，之所以微网中各分布式电源输出的功率无法合理分配，是因为逆变器与负载间的线路阻抗不匹配，得出传统控制方法的局限性。
(3)介绍了虚拟阻抗法，主要思路是通过加入虚拟阻抗模块来减弱系统的不利影响。虚拟阻抗能够提高系统中无功功率分配精度的结论，但是此方法带来了电压降落差过大的问题，然后进一步提出自适应虚拟阻抗的控制方法。
(4)设计了基于虚拟功率的预同步并网控制方式。在开关两侧假定存在虚拟阻抗，计算其虚拟功率，直至逆变器侧和电网侧的偏差量满足并网要求。仿真结果表明预同步控制可以达到VSG平滑并网的效果。
参考文献（略）
