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基于包含电网频率动态的扩展阻抗准则的孤岛微电网虚拟同步机设计
Virtual Synchronous Machine Design for Islanded Microgrids Using the Extended Impedance Criterion With Grid Frequency Dynamics Included
| 作者 | Dionysios Moutevelis · Javier Roldán-Pérez · Pablo Rodríguez-Ortega · Milan Prodanović |
| 期刊 | IEEE Transactions on Energy Conversion |
| 出版日期 | 2024年10月 |
| 技术分类 | 控制与算法 |
| 技术标签 | 虚拟同步机VSG 微电网 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 虚拟同步机 微电网 阻抗准则 频率动态 参数设计 |
语言:
中文摘要
虚拟同步机(VSM)控制常用于孤岛微电网(MG)中电力变换器的控制。通常情况下,微电网的动态模型是未知的,因此,基于估计的阻抗准则更适合用于设计控制参数。然而,原始的阻抗准则未考虑基频动态特性,在将新的虚拟同步机接入已运行的微电网时,应用该准则可能会导致诸如不稳定等技术难题。在频率动态特性至关重要的情况下,如孤岛微电网,这一问题尤为突出。本文提出了一种基于扩展阻抗准则的方法来设计接入微电网的虚拟同步机参数,该扩展阻抗准则考虑了频率动态特性。研究表明,所提出的方法有助于理解虚拟同步机参数对机电和电磁时间尺度以及整个系统稳定性的影响,为参数设计提供了一种直观的方法。此外,研究还表明,微电网的频率动态特性对虚拟同步机的动态性能有显著影响,而传统的阻抗准则无法捕捉到这种影响。通过对典型孤岛微电网进行仿真和实验室测试,验证了理论推导的正确性。
English Abstract
Virtual synchronous machine (VSM) control is commonly used to control power converters in islanded microgrids (MGs). Frequently, the dynamic model of the MG is unknown and, therefore, the estimation-based, impedance criterion is preferred to design the control parameters. However, the original impedance criterion does not consider the fundamental frequency dynamics and its application may result in technical challenges, such as instabilities, during the connection of new VSMs to already operating MGs. This is relevant for cases where frequency dynamics are critical, as in the case of islanded MGs. In this paper, a methodology to design the parameters of a VSM connected to a MG is presented, based on an extension of the impedance criterion that accounts for the frequency dynamics. It is shown that the proposed method facilitates the understanding of the impact of the VSM parameters on the electromechanical and electromagnetic timescales and on the overall system stability, establishing an intuitive approach for their design. Furthermore, it is shown that the MG frequency dynamics have a relevant effect on the dynamic performance of the VSM, which would not be captured using the conventional impedance criterion. Theoretical developments are verified using simulations and laboratory tests of a representative islanded MG.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项虚拟同步机(VSM)扩展阻抗准则研究对我司在孤岛微网领域的产品开发具有重要参考价值。当前我司储能变流器和光伏逆变器在离网场景应用日益增多,特别是在海岛、偏远地区及工商业微网项目中,VSM控制已成为实现电网友好型并网的核心技术路径。
该论文针对传统阻抗准则忽略频率动态特性的缺陷,提出了包含电网频率动态的扩展设计方法。这直接回应了我司在实际工程中遇到的痛点:当新的储能系统或光伏逆变器接入已运行的微网时,常出现频率振荡甚至失稳现象。论文建立的机电时间尺度与电磁时间尺度的解耦分析框架,为我司优化VSM控制参数提供了理论工具,有助于提升PowerStack储能系统和SG系列逆变器在动态场景下的稳定性。
技术成熟度方面,该方法已通过仿真和实验室验证,具备工程化应用基础。对阳光电源而言,关键机遇在于:可将此方法集成到我司智慧能源管理系统中,开发自适应参数整定功能,实现微网设备即插即用,增强产品差异化竞争力。这对拓展海外离网市场和国内增量配电网业务尤为重要。
技术挑战主要体现在:需要建立不同拓扑微网的频率动态模型库,并考虑多VSM并联时的交互影响;此外,实时频率估计算法的计算负荷需与现有控制器硬件平台兼容。建议我司研究院与高校合作深化该技术,结合实际工程数据验证其在大容量储能系统中的适用性,为下一代微网控制器开发奠定基础。