论文总字数：30471字

摘 要

考虑到越来越多的分布式电源与电动汽车并网给电网带来的稳定性问题，逆变器控制技术显得越来越重要。本文主要对基于虚拟同步发电机与负荷虚拟同步机控制策略的逆变器并联运行及其稳定性进行了研究。

首先，分别研究了虚拟同步发电机与负荷虚拟同步机并网运行控制策略，建立了虚拟同步发电机与负荷虚拟同步机并联运行仿真模型，并通过改变电网频率与电压分析其自主参与电网调频、调压的能力，验证了该仿真模型的正确性。

其次，建立了虚拟同步发电机与负荷虚拟同步机并联运行完整的数学模型，基于该数学模型利用MATLAB/Simulink建立了虚拟同步发电机与负荷虚拟同步机并联运行全阶小信号模型。将仿真模型、数学模型、全阶小信号模型在电网频率与电压变化时的动态响应进行比较，验证了全阶小信号模型的正确性。

最后，分析了虚拟同步发电机与负荷虚拟同步机并联运行小信号稳定性。在原模型基础上分别改变控制器参数中的虚拟转动惯量与无功功率积分系数、并网电阻、低通滤波器截止角频率，根据系统特征值移动轨迹分析了参数变化对系统小信号稳定性的影响，并在仿真模型中进行了验证。

关键词：虚拟同步发电机，负荷虚拟同步机，逆变器并联并网，小信号稳定性分析

Abstract

Considering the power system stability problem brought by more and more distributed generators and electric vehicle connected to grid, inverter control strategy becomes more and more important. The parallel operation and stability of inverters based on control strategy of virtual synchronous generator and load virtual synchronous machine are studied in this paper.

Firstly, the grid-connected operation control strategies of virtual synchronous generator and load virtual synchronous machine are studied respectively, and the simulation model of parallel operation of virtual synchronous generator and load virtual synchronous machine is established. By changing the frequency and voltage of the power grid, the capability of the virtual synchronous generator and load virtual synchronous machine to participate in frequency and voltage regulation of the power grid is analyzed, and the correctness of the simulation model is verified.

Secondly, a complete mathematical model of parallel operation of virtual synchronous generator and load virtual synchronous machine is established. Based on that mathematical model, a full-order small-signal model of parallel operation of virtual synchronous generator and load virtual synchronous machine is established by MATLAB/Simulink. The dynamic response of the simulation model, the mathematical model and the full-order small-signal model are compared when frequency and voltage of the power grid varies, and the correctness of the full-order small-signal model is verified.

Finally, small-signal stability of parallel operation of virtual synchronous generator and load virtual synchronous machine is analyzed. On the basis of the original model, the virtual rotary inertia and reactive power integral coefficient in the controller parameters, the grid-connected resistance and the cut-off angular frequency of low-pass filter are changed respectively, then the influence of parameters changes on the small-signal stability of the system are analyzed according to the moving trajectory of the system's eigenvalues and verified in the simulation model.

KEY WORDS: virtual synchronous generator, load virtual synchronous machine, Parallel grid-

connected inverters, small-signal stability analysis

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2虚拟同步机技术研究现状 2

1.2.1虚拟同步发电机技术研究现状 2

1.2.2负荷虚拟同步机技术研究现状 2

1.2.3虚拟同步发电机与负荷虚拟同步机并联运行技术研究现状 3

1.3小信号稳定性分析方法 3

1.4虚拟同步机小信号模型及其小信号稳定性 4

1.4.1虚拟同步机小信号模型 4

1.4.2系统参数变化对系统特征值及小信号稳定性的影响 4

1.5本文主要研究内容 4

第二章 VSG与LVSM并联运行仿真模型的建立与验证 6

2.1 VSG控制策略与PWM信号产生 6

2.1.1下垂控制环节 7

2.1.2有功环 7

2.1.3无功环 8

2.1.4虚拟阻抗环节 8

2.1.5 PI电流环 9

2.2 LVSM控制策略与PWM信号产生 9

2.3 VSG与LVSM并联运行仿真模型的建立与验证 9

2.3.1 VSG与LVSM并联运行模型主电路与控制部分参数 10

2.3.2电网频率变化时VSG与LVSM并联运行仿真验证 12

2.3.3电网电压变化时VSG与LVSM并联运行仿真验证 13

2.4本章小结 15

第三章 VSG与LVSM并联运行全阶小信号模型的建立与验证 16

3.1 VSG与LVSM控制部分数学模型 16

3.2 VSG与LVSM并联主电路部分数学模型 16

3.2.1 VSG主电路部分数学模型 16

3.2.2 LVSM主电路部分数学模型 17

3.2.3并网部分数学模型 18

3.3 VSG与LVSM并联运行全阶小信号模型的建立与验证 18

3.3.1电网频率变化时VSG与LVSM并联运行全阶小信号模型验证 18

3.3.2电网电压变化时VSG与LVSM并联运行全阶小信号模型验证 20

3.4本章小结 22

第四章 VSG与LVSM并联运行小信号稳定性分析 23

4.1初始VSG与LVSM并联运行系统小信号稳定性 23

4.2虚拟转动惯量对系统稳定性的影响 25

4.3无功功率积分系数对系统稳定性的影响 27

4.4并网电阻对系统稳定性的影响 29

4.5低通滤波器截止角频率对系统稳定性的影响 31

4.6本章小结 34

第五章 总结与展望 35

参考文献（References） 36

致谢 38

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

长期以来，化石能源一直在日常消耗能源中占最大比重，但由于工业革命以来开采消耗迅速，其日益枯竭的现实迫使各国政府开始积极寻求可替代化石能源的能源；而且，由于使用化石能源的过程中会产生大量温室气体，由此引起的全球气候变化与自然灾害频发近年来开始引起世界各国民众越来越多的关注；另外，使用化石能源的过程中还容易产生有污染的烟尘与气体，对环境造成破环^[1]。面对化石能源造成的种种问题威胁到越来越多的国家与民众，许多国家开始鼓励并积极推动可再生能源的研究与发展，我国也于2007年制定了《可再生能源中长期发展规划》，要求到2020年，中国的可再生能源消费量要达到能源消费总量的15%^[2]。在这一背景下，风力、光伏等清洁可再生能源发电越来越受到研究者的关注。不仅如此，由于风力、光伏等清洁可再生能源在地理上具有分散分布的性质，发展这种分布式发电技术可以降低电网损耗^[3]，还可以作为现有集中发电电力系统的有力补充，提高用户侧用电可靠性^[4]。而在用电侧，作为新能源技术中的一种，电动汽车以其能源利用率高、节能环保的特点受到各国政府与消费者的青睐^[5]。我国也于2015年发布了《国家重点研发计划新能源汽车重点专项实施方案（征求意见稿）》，要求到2020年，建立起完善的电动汽车动力系统科技体系和产业链并提供技术支撑^[6]。

尽管以分布式发电技术与电动汽车技术为代表的新能源技术具有种种优势，但越来越多的分布式电源与电动汽车接入电网也给传统上以大型同步发电机为主导的电网带来了新的问题，其中逆变器的问题尤为突出。考虑到分布式电源与电动汽车负荷大多采用电力电子逆变器作为其与配电网或微电网的接口进而接入电网，但常规逆变器缺乏传统同步发电机所具有的转子惯性和阻尼特性，响应速度过快；另外，常规逆变器无法随负荷功率需求的变化调节有功功率无功功率输出以及向负荷提供电压频率支撑，难以参与电网频率、电压调节。因此，分布式电源与电动汽车等大规模接入势必会使原电力系统更容易受到功率波动和系统故障的影响，对原电力系统运行的稳定性带来极大挑战^[7]-[8]。

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