基于虚拟同步发电机的固态变...器交流端口柔性控制策略研究_程静.pdf

第51 卷 第4 期 电力系统保护与控制 Vol.51 No.4 2023年2月16日 Power System Protection and Control Feb.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.220680 基于虚拟同步发电机的固态变压器交流端口 柔性控制策略研究 程 静1，赵振民1,2(1.可再生能源发电与并网控制教育部工程研究中心(新疆大学)，新疆 乌鲁木齐 830017；2.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830011)摘要：固态变压器(solid state transformer,SST)能实现传统电力变压器的变压、隔离作用，还可实现灵活的电能调控作用，但不具备传统同步发电机的机械特性及同步运行机制。当分布式电源经 SST 接入电网时，由于其出力的随机性和波动性，将对上级电网造成冲击，导致电网电压/频率波动。提出一种基于虚拟同步发电机的 SST 交流端口控制策略。首先，建立模块化多电平型输入级和同步发电机等效模型，将虚拟同步发电机原理融入输入级控制策略，以提高 SST 并网端口的电能质量、惯性及阻尼特性，并使其具备参与电网调频、调压能力。其次，提出储能装置辅助调频控制，保障 SST 参与一次调频时低压系统负载功率消耗平衡。最后，确立了输出级虚拟同步发电机控制策略，以提高低压交流端口负荷功率响应特性，实现 SST 对上级电网的友好性。在 Matlab/Simulink 平台搭建仿真模型，验证了所提 SST 拓扑结构及其控制策略的正确性和有效性。关键词：虚拟同步发电机；固态变压器；分布式电源；模块化多电平变换器；控制策略 Flexible control strategy for a solid-state transformer AC port based on a virtual synchronous generator CHENG Jing1,ZHAO Zhenmin1,2(1.Engineering Research Center of Education Ministry for Renewable Energy Power Generation and Grid Connection,Xinjiang University,Urumqi 830017,China;2.Electric Power Research Institute of State Grid Xinjiang Electric Power Co.,Ltd.,Urumqi 830011,China)Abstract:A solid-state transformer(SST)can realize the voltage transformation and isolation of a traditional power transformer and flexible power regulation,but it does not have the mechanical characteristics and synchronous operation mechanism of a traditional synchronous generator.When distributed power generation is connected to the power grid through the SST,because of the randomness and power fluctuation of distributed power generation,it will impact the superior power grid and lead to grid voltage or frequency fluctuation.A control strategy for the SST AC port based on a virtual synchronous generator is proposed.First,the equivalent model of the modular multilevel input stage and synchronous generator is established,and the principle of the virtual synchronous generator is integrated into the input stage control strategy to improve the power quality,inertia,and damping characteristics of the SST grid connection port.It also gives it the ability to participate in power grid frequency regulation and voltage regulation.Second,auxiliary frequency modulation control of the energy storage device is proposed to ensure the balance of load power consumption of the low-voltage system when the SST participates in primary frequency modulation.Finally,the control strategy of output stage of the virtual synchronous generator is established to improve the load power response characteristics of the low-voltage AC port and realize the friendliness of the SST to the superior power grid.The simulation model is established on the Matlab/Simulink platform to verify the correctness and effectiveness of the proposed SST topology and its control strategy.This work is supported by Major Science and Technology Project of the Xinjiang Uygur Autonomous Region(No.2022A01001-4).Key words:virtual synchronous generator;solid state transformer;distributed generation;modular multilevel converter;control strategy 基金项目：新疆维吾尔自治区重大科技专项资助(2022A01001-4)；新疆维吾尔自治区重点实验室开放课题(2020D04048)；国家自然科学基金项目资助(52067020)程 静，等 基于虚拟同步发电机的固态变压器交流端口柔性控制策略研究 -139-0 引言 近年来，能源危机和环境污染问题受到国内外广泛关注，风电、光伏等可再生能源得到迅猛发展1-5。随着大规模分布式新能源和敏感性负荷接入电网6-7，固态变压器作为一种具备多类型接口的智能高频高压变压电力电子设备在配电网中得到大规模应用，为分布式新能源提供灵活的并网接口8-12。文献10和文献13研究了直接电压控制和虚拟阻抗的控制方法，有效改善了分布式电源功率波动下 SST 输出级电能质量，但对并网端口的电能质量会有一定影响。文献14和文献15研究了基于内膜控制器的 SST 控制策略，有效提高了系统的响应速度和抗扰动能力，但负荷功率的频繁波动易对并网端口产生冲击，且系统不具备参与电网调压、调频性能。由以上文献可知，常规控制策略下 SST 交流端口不具备传统同步发电机的惯性、阻尼特性和同步运行机制；加之 SST 低压输出交流端口无大电网惯性支撑，在配电网中分布式电源占比不断提高的背景下，外界扰动易引发系统内部功率波动，导致 SST交流端口电能质量较差，难以实现对上级电网的友好支撑，对电力系统安全稳定运行造成严重不利影响16-17。目前，虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)技术可使配置储能装置的电力电子变换器模拟同步发电机的外特性，并具备调压、调频能力18-21。文献22研究了一种改进有功-频率环的 VSG 控制策略，根据电网频率偏差大小调节机械功率，有效提高了系统惯性和抗外界扰动能力。文献23研究了转动惯量和阻尼系数对分布式系统稳 定性的影响，自适应地控制阻尼和惯量系数，提升了系统功频特性。可见，VSG 控制技术的研究主要集中于分布式逆变电源领域24-25，而鲜有基于 VSG的 SST 柔性控制技术相关研究。为此，本文基于 VSG 控制原理，提出一种 SST交流端口柔性控制策略，使 SST 具备同步发电机的特性，依靠低压直流端口储能装置辅助调频控制，使其参与上级电网一次调频的同时，有效保障低压系统负载功率消耗平衡。此外，通过输入级无功-电压控制为上级电网提供必要的无功支撑，并有效提高 SST 交流端口的惯性和阻尼特性，减小其内部功率波动对上级电网的影响和并网端口的电流畸变率，实现与上级电网的友好性互联。1 SST 主拓扑结构 本文采用三级型固态变压器主电路拓扑结构，主要由输入级、隔离级、输出级组成，如图 1 所示。输入级采用半桥型模块化多电平变换器，将输入的中/高压交流转变为中/高压直流，且可通过增减子模块数量适应于不同电压等级，有效提高了功率密度和电能质量。隔离级由多个双有源桥串联谐振变换器以输入串联/输出并联的结构连接，实现直流电压变换及电气隔离，高/低压直流母线可分别为规模化/分布式新能源或负荷提供直流端口。输出级交流端口采用 T 型三电平型变换器，相较于传统两电平型变换器其具有较低的谐波含量和功率损耗，适用于低压大电流场合26-27，将低压直流转变为稳定的三相工频电压。输出级直流端口采用 Buck-Boost型 DC/DC 变换器，以接入直流负载或直流型分布式电源。图 1 SST 主电路拓扑结构图 Fig.1 SST main circuit topology-140-电力系统保护与控制 2 控制策略设计 2.1 MMC 输入级与 VSG 等效模型 为便于分析，MMC 型输入级等效电路如图 2所示。sku和s(a,b,c)kik=分别为输入级交流端口电压和电流；pku、pki和nku、nki分别为MMC上、下桥臂流过的电压和电流；sR、sL分别为输入级交流端口上的等效电阻和滤波电感；L、R分别为上下桥臂电感、电阻；dcHU、dcHI分别为输入级直流侧中压直流电压、电流。图 2 MMC 输入级等效电路 Fig.2 Equivalent circuit of MMC input level 输入级交流侧电流关系为 snpkkkiii=-(1)由基尔霍夫电压定律，得模块化多电平输入级电压方程为 npsssssd11222djjkkkuuiuRRLiLt-=+|+(2)输入级作为固态变压器和中压配电网电能转换和传输的端口，也是实现与中压配电网友好交互的重要模块。基于虚拟同步发电机原理，输入级可模拟传统同步发电机的惯性、阻尼特性及调压、调频特性，其VSG等效电磁方程为 11ddkkkkiLRiuet=-+-(3)由式(2)和式(3)可得输入级与VSG的等效关系为 10s10ssncsp222kkkkkkkkLLLLRRRi