基于虚拟同步发电机的并联逆变器控制策略研究.pdf

哈尔滨工业大学硕士学位论文

摘要

近年来随着我国双碳目标的提出，由大量可再生能源所组成的能源系统得

到广泛的发展。同时光伏能源作为新能源中的主要部分，光伏系统的数量也在

不断增长。然而大多数的光伏能源往往需要通过电力电子逆变器连接至公共母

线，因此对传统电力电子变换器和电压源型逆变器在频率和电压控制方面的研

究具有十分重要的意义。随着人们用电量的需求不断增大，单个分布式电源的

容量无法满足人们需求，往往需要并联使用。然而电力电子变换器不具有传统

电网中同步发电机的惯性和阻尼特性，虚拟同步发电机技术能够模拟发电机的

定转子特性，但是基于虚拟同步发电机控制的并联系统仍存在一些问题，本文

采用虚拟同步发电机控制技术对逆变器并联，并针对并联系统下功率振荡和功

率均分等问题进行研究。

本文首先以基于LC输出滤波器的三相电压源逆变器作为被控对象，给出

了一种基于LQR+SMC的双环控制策略。针对传统的电压源型三相逆变器建立

dqLCLC

在旋转坐标系下的模型，根据无功容量设计相应的滤波器，并根据

PI

滤波器参数和逆变器参数设计对应的双闭环控制器，保证输出电压稳定。

同时给出了一种新的双闭环控制策略，采用滑模控制设计内环控制器，用

LQR设计电压外环，保证逆变器输出电压拥有较好的电能质量和三相平衡度。

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其次针对基于虚拟同步发电机控制的并联逆变器系统有功频率振荡的问

题，给出一种改进的虚拟同步发电机控制策略并建立改进后的小信号模型。首

先建立对单个逆变器的虚拟同步发电机模型，并分析参数变化时对逆变器的影

响。采用小信号分析的方法建立两台逆变器并联的数学模型，根据Bode图分

析当系统参数不一致时并联逆变器产生功率振荡的原因，同时通过Bode分析

证明所提改进策略能够有效抑制功率振荡，最后在Simulink上建立模型验证所

提控制策略有效性，最终表明理论与仿真结果一致。

然后针对基于虚拟同步发电机并联系统由于线路阻抗不匹配而造成的无功

功率无法均分的问题，设计相应的虚拟阻抗实现对功率的均分和解耦。对虚拟

阻抗的设计往往需要对线路阻抗大小进行测量，而实际中对线路阻抗值的测量

是较为困难的，本文通过采用递归最小二乘法对线路阻抗值进行辨识，并引入

终端电压补偿策略，避免因虚拟阻抗和线路阻抗而导致终端电压下降。

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最后针对虚拟同步发电机初级控制的有功频率环节仍属于频率有差控制，

(PI)

分别设计有功和频率对应的二次滑模控制器。而传统的二次调频策略在线

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路阻抗不一致的条件下，无法实现对有功功率的均分，为此设计了一种分布式

解耦滑模控制策略，根据Lyapunov全局有限时间稳定性理论证明了系统的有

功和频率能够在有限时间内一致收敛。

关键词：并联三相逆变器；虚拟同步发电机；并联功率振荡；功率均分；终端

滑模控制

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InordertoachievethedoublecarbontargetproposedbyChinain2020,