论文总字数：25596字

摘 要

在能源结构不断转变的背景下，电力系统正在经历从传统的集中式发电到分布式发电以及进一步到自主电力系统的转变。随着分布式电网的不断普及，电网往往通过整流器接入大部分分布式负荷、储能和相关设备。

本文主要在三相桥式整流电路中引入负荷虚拟同步机的控制策略，使大量负荷具有类似于同步电动机的固有阻尼、惯性和调频调压特征，从电网侧来看，通过具有负荷虚拟同步机策略的整流器接入配电网的负荷，都可以看成一台可以调节阻尼和惯性的同步电动机连接电网，在系统出现有功无功波动时，虚拟同步电动机系统能自主调节输入系统的有功和无功，减轻系统的调节压力。

本文根据同步电动机的二阶暂态数学模型，建立负荷虚拟同步机的控制模型，主要包括如下环节：下垂控制环节、有功无功控制环、基于dq0坐标系的电流闭环控制，其中电流闭环控制可以较好的保证电流波形。在Matlab/Simlink平台建立了仿真模型和工频小信号模型，来分析负荷虚拟同步机运行调节特性，两个模型对频率变化和电压变化的响应基本一致，证明了控制策略的有效性，对与配电网中负荷和电网的交互有一定借鉴价值。

关键词：自主电力系统，负荷虚拟同步机，工频小信号模型

Abstract

In the context of the ever-changing energy structure, power systems are undergoing a transformation from traditional centralized generation to distributed generation and further to autonomous power systems. As the volume of distributed energy sources continues to increase, most of the distributed loads, energy storage and associated equipment will need to be integrated into the grid through rectifiers.

The control strategy of the load virtual synchronous machine in the three-phase bridge rectifier circuit makes a large number of loads have characteristics similar to the intrinsic damping, inertia and frequency modulation of the synchronous motor. The load of the strategic rectifier connected to the distribution network can be seen as a synchronous motor that can adjust the damping and inertia to connect to the grid. In the event of active and reactive power fluctuations in the system, the virtual synchronous motor system can autonomously adjust the active and reactive power of the input system , to ease the system's regulatory pressure.

Based on the second-order transient mathematical model of synchronous motor, this paper establishes the control model of load virtual synchronous machine, including the following steps: droop control, active and reactive control loop, current closed-loop control based on dq0 coordinate system, in which the current closed-loop control can guaranteed current waveform better. Then the simulation model and power frequency small signal model were established on the Matlab/Simlink platform to analyze the operation and adjustment characteristics of the load virtual synchronous machine. The responses of the two models to the frequency change and the voltage change were basically the same, which proved the effectiveness of the control strategy. Interaction with the load and power grid in the distribution network has some reference value.

KEY WORDS: Autonomous power system, Load virtual synchronous machine, small signal model

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 能源结构 1

1.1.2 源、网和荷的同步机制 1

1.1.3 自主电力系统 1

1.2 虚拟同步机类型 3

1.2.1 同步逆变器 3

1.2.2 同步整流器 4

1.3 负荷虚拟同步机在配电网中的应用 5

1.3.1 分布式储能 5

1.3.2 可控负荷 5

1.4 本文主要工作内容 5

第二章 负荷虚拟同步机的控制策略研究 7

2.1 同步电机数学模型 7

2.1.1 基本介绍 7

2.1.2 同步电动机的基本方程 8

2.1.3 同步电动机的功角特性 8

2.2 负荷虚拟同步机原理 9

2.2.1 主拓扑结构 9

2.2.2 基本方程 10

2.3 负荷侧虚拟同步机的控制 10

2.3.1 有功-频率响应 11

2.3.2 无功-电压响应 12

2.3.3 负荷虚拟同步机控制 13

2.3.4 电流环设计 13

2.3.5 锁相环设计 16

2.3.6 直流负荷接口 17

2.4 单机仿真分析 17

2.4.1 仿真模型 17

2.4.2 参数选选择 18

2.4.3 仿真结果 19

2.5 本章小结 24

第三章 负荷虚拟同步机的工频小信号模型 25

3.1 负荷虚拟同步机的工频小信号模型 25

3.2 与仿真模型对比 27

3.2.1 频率动态响应 27

3.2.2 电压动态响应 28

3.3 本章小结 29

第四章 应用负荷虚拟同步机的配电网系统 31

4.1 概述 31

4.2 负荷虚拟同步电动机对配电网的主要影响 31

4.3 配电网算例 31

4.3.1 算例 32

4.3.2 比较结果 32

4.4 本章小结 34

第五章 总结与展望 35

5.1 总结 35

5.2 展望 35

致谢 36

参考文献 37

附录 38

绪论

研究背景

能源结构

随着社会的不断发展，世界的工业化进程进一步深入，全球的能源需求在不断提高，然而，能源危机和环境污染问题也愈发严重。较有限的传统化石能源逐渐枯竭，如太阳能，风能、生物质能等新兴可再生能源得到广泛的研究和开发利用，能源结构也在不断调整和转型。

在2016年的全球能源消费调查中，中国的能源消费约占全球的23%，其增长量约占全球的27%。在中国能源市场内部，能源消费结构也有所变化，其中，中国煤炭消费下降了1.6%，煤炭产量下降了7.9%，在中国能源结构的占比从2015年的64%下降到2016年的62%^[1]。与之形成鲜明对比，化石能源中，太阳能的消费增长达到71.5%，可再生能源消费的全年达到了33.4%，在全球总量中的份额从十年前的2%提升到2016年的20.5%。受此影响，2016年我国的二氧化碳也下降了0.7%，环境污染问题没有进一步加剧^[2]。

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