摘 要

光伏发电属于微电网发电中的新能源发电的一种，而光伏发电，乃至其他类型的微电网新能源发电过程中，逆变器的设计都是至关重要的一环。本文就光伏发电系统中的并网同步逆变器的控制策略进行研究与探讨，并在一定程度进行仿真模拟，得出初步结论。首先，本文在第二章当中对传统的光伏并网系统进行了分析，对其原理、主要环节、优缺点等方面进行了简单介绍，之后为解决问题，本文在第三章引入VSG虚拟同步发电机模型，并对其在与逆变器的对应关系、有功调节、无功调节、转子的机械特性方面作了简单介绍，引出第四章中的算法。在第四章中，本文提出了算法模型“小信号模型”并展示了模型推演过程与具体公式。在第五章中，本文就模型进行仿真，分别对四个变量进行了仿真并输出根轨迹图，并分别进行了分析。最后，本文就所得到的结果进行了总结，并指出了该模型的不足以及改进方向，作了一些有关展望方面的内容。

本文的内容主要是对光伏发电逆变器控制算法进行研究，使光伏发电过程中的逆变器具有与普通同步发电机相同的输出特性。本文假设的前提是新能源发电储能装置在直流侧，且电压保持不变。在此前提下对模型进行建立。意在缩小微电网与普通发电站的区别，提高其稳定性。

关键词：光伏发电；逆变器；VSG虚拟同步发电机；小信号模型.

Abstract

Photovoltaic power generation is a kind of new energy power generation in microgrid power generation. In photovoltaic power generation, and even other types of microgrid new energy power generation, inverter design is a crucial part. In this paper, the control strategy of grid-connected synchronous inverter in photovoltaic power generation system is studied and discussed, and simulation simulation is carried out to a certain extent, and preliminary conclusions are drawn. Firstly, in the second chapter, the paper analyzes the traditional photovoltaic grid-connected system, and introduces its principle, main links, advantages and disadvantages, etc. In order to solve the problem, this paper introduces VSG virtual synchronous power generation in the third chapter. Since ancient times, especially since entering the new era of the 21st century, energy issues have been one of the most important issues facing humanity in the 21st century alongside global warming, terrorism and artificial intelligence. Nowadays, traditional energy sources such as coal and oil are facing a depletion.The machine model, and its corresponding relationship with the inverter, active adjustment, reactive power adjustment, mechanical characteristics of the rotor is briefly introduced, leading to the algorithm in Chapter 4. In the fourth chapter, the paper proposes the algorithm model "small signal model" and shows the model deduction process and specific formula. In the fifth chapter, the model is simulated, and the four variables are simulated and the root locus map is output and analyzed separately. Finally, the paper summarizes the results obtained, points out the shortcomings of the model and the direction of improvement, and makes some relevant aspects of the outlook.

The content of this paper is mainly to study the control algorithm of photovoltaic power inverter, so that the inverter in photovoltaic power generation has the same output characteristics as ordinary synchronous generator. The premise of this paper is that the new energy generation energy storage device is on the DC side and the voltage remains unchanged. The model is built on this premise. It is intended to narrow the difference between microgrid and ordinary power station and improve its stability.

Key words: Photovoltaic power generation; inverter; VSG virtual synchronous generator; small signal model

目 录

第1章 绪论 7

1.1 研究背景 7

1.2 国内外研究现状 8

第2章 传统光伏并网发电系统的分析 9

2.1 经典的光伏经典的光伏发电系统的并网模式 9

第3章 虚拟同步发电机的数学模型 11

3.1 逆变器与虚拟同步发电机对应关系 11

3.2有功调节 12

3.3 无功功率 13

3.4 VSG转子的机械特性 14

3.5 本章小节 14

第4章 虚拟同步发电机控制算法 16

4.1 abc到dq坐标系的变化 16

4.2 小信号模型的建立 17

第5章 系统仿真 19

5.1特征根轨迹仿真及结果分析 19

5.2 带阻感单台VSG仿真及分析 21

第6章 结论 24

6.1 结论 24

6.2 展望与讨论 24

参考文献 26

致谢 29

第1章 绪论

1.1 研究背景

从古至今，尤其是进入二十一世纪新时代以来，能源问题一直是与全球变暖、恐怖主义、人工智能所并列的二十一世纪人类所面对的一个最重要的课题之一。现如今，传统能源如：煤、石油等已面临枯竭的窘境。在这样局面下，开发新能源，尤其是分布式的、可不断再生的、高效能的、污染程度低的新能源愈发重要。

光伏发电这项技术，在刚步入二十一世纪时是处于一个较为的较为初级的阶段的，但在近二十年的飞速发展成，技术已取得重大进步、显著突破技术也日渐成熟。随着技术的逐步发展完善，光伏发电系统的装机量自然而然不断上涨增大。在这样的局面下人们对分布式能源的渗透率要求也越来越高，随之而来的是如何改善光伏发电系统中储能技术这一问题。在这一问题中，人类所面临的一个重大问题便是一次能源的利用，众所周知，一次能源具有两个显著特征：间隙性及不可操控性。一般的并网分布式发电控制系统较常用的是电力电子并网逆变器，但这样的调节系统并不能进行常规的调频反馈，更不能进行调压改善系统的效率。这显然与人们追求稳定、更高效的供电系统这一理想目标背道而驰。针对光伏发电的间歇性及不可操控性这些问题，一般采取的措施是在光伏发电系统中配备部分储能单元用以增强系统对光伏的利用率，如此这般做也有益于整个光伏发电系统的稳定持久运行。但目前光伏发电系统中使用的电力电子器件的转动惯量几乎为零且其响应飞速，这就给我们对电网进行调节设下一道难关。

为攻克这一难题，国内外学者投入大量精力，进行大量的理论设计以及实际实验。在这些海量的研究中，外国科研人员第一次提出了VSG虚拟同步发电机模型。VSG虚拟同步发电机是基于光伏发电系统中电力电子并网逆变器网络，以及在其中借助储能设备，运用恰当的并网同步逆变器控制算法，使基于整个并网系统的分布式的电源从外部特性及另外方面的模拟层面突出了与同步发电机相同的频率和相同的电压控制特性以及其他相似甚至一致的特性。

虚拟同步发电机技术的提出及实践经历了一个漫长且艰辛的过程，现已趋近成熟。就外部特性上来进行仔细地划分的话，我们可以将目前国际上有的虚拟同步发电机技术分为两个大类：电流控制型以及电压控制型。假设我们从电网供电系统网络的方面上来看的话，电流控制型虚拟同步发电机技术可以与受控电流源进行等效，其广泛运用与适用于分布式电源渗透率较低的电网系统的并网运行控制；电压控制型可以与受控电压源这一器件进行类比，其普遍地被用在与适用于分布式电源渗透率较高的的弱电网以及微电网孤岛运行控制模式下的电压控制调节方面。

许多研究使用的传统的同步发电机的经典数学模型进行设计与建摸仿真，其所针对的方向是运用该算法对发电机性能进行改善，使其能够进行及时的调频调压反馈调节。但其缺陷是并未完全考虑惯性环节对整个调节过程的影响，导致其系统稳定性堪忧，其同步效果受元件影响较大，同步并网的精确性并未达到令人满意的地步，还有较大的改进空间。运用该模型的系统在电压失衡以及电压发生畸变时的表现差强人意，还有待进一步改进。

综上所述，本文在此提出一种新的控制算法策略，在现有的VSG同步并网发电发电机模型预同步算法基础上引入了小信号模型。

1. 传统光伏并网发电系统的分析

2.1 经典的光伏经典的光伏发电系统的并网模式

经典的光伏发电系统的并网模式图如图2.1.1所示，其由光伏电池、升压装置、mppt检测装置、逆变器、控制器、双向储能变流器等特殊部件构成。在这转变的过程中，使光能化为电能的设备是光伏板（绝大多数太阳能电池板的主要材料为“硅”，不过因为制作成本昂贵，以至于它在推广方面还有一定的局限性）。它通过光生伏打效应（半导体在受到光照射时产生电动势的现象）将光能变为电能。前端DC/DC可以将聚集聚拢在一起的电压升高，在升高的同时还会进行最大功率点跟踪检测(MPPT)；后端的DC/AC设施能够使直流电逆变成交流电，之后经过特定的阻抗通过公共连接点PCC实施并网操作；控制器的作用是收集电网系统侧的电能相关信息，然后将信息传递至比较反馈环节进行逆变调节，最后输出。电能输出后的特性与电网电压吻合；能量管理模块保持系统的能量的平衡，对系统进行储能环节与出力环节的动态平衡调节。

图2.1.1 传统光伏并网结构图

在整个经典模型的光伏并网环节中，需要进行控制的主要有两个环节：第一个是输出波形的控制，第二个是有关功率点的控制。对于前者来说，对控制的快速及时程度要求较高，理论上是需要在响应器件的一个响应周期内实现对目标电流的波形检测与跟踪。但在该模型中输出及其不稳定，原因是光伏阵列非常容易被外部条件的变化所干扰，进而出现偏差。即使在理想的环境下我们可以将部分影响因素（光强、温度）固定下来，但光阵仍然会输出不同等级的电压，因此阵列输出的功率随着不同等级的电压变化而呈现周期性抛物线变化。在实际应用中，这显然会对实际的电能有严重影响，不能进行长时间的最大功率生产，与使用光伏发电的初衷背道而驰。为了使效能最大化，我们必须使系统始终保持在输出功率—电压曲线的峰值点上进行长时间工作。

整个系统的频率变化调整应从同步发电机输入机械功率和输出电磁功率的变化中进行：

若是电网中的不平衡是由有功负荷的变化引起的，那么由于同步发电机具有机械惯性以及阻尼作用，频率发生改变的速度会较慢。

一次调频。电动机依据系统频率偏移量对调速器进行调节，大多数是通过改变同步发电机的输入功率来改变同步发电机的转速，进而阻滞系统频率的改变量。

进行人为干预，主要是由人工进行改变电力系统中的调速器的设定值，将频率调到适宜的值。又被称为二次调频。

1. 虚拟同步发电机的数学模型

3.1 逆变器与虚拟同步发电机对应关系

图3.1.1是并网逆变器的典型拓扑图。我将在下文详细阐释如何对其进行模拟，使其与传统的同步发电机相对应。

可将VSG虚拟同步机的机械方程表示为如下

（3.1）

式子中：为同步发电机的转动惯量，kg.m²；假定极对数为1，同步发电机的电气角速度即为机械角速度；0为电网同步角速度，rad/s; 、以及分别为同步发电机的机械转矩、电磁转矩以及阻尼转矩，N.m；为阻尼系数，N.m.s/rad。

图3.1.1 拓扑结构

可由虚拟同步发电机电势以及输出电流得到：

（3.2）

式子中：、的单位分别为V与A；为输出电磁功率。

因为同步发电机具有转动惯量，所以同步并网逆变器在动态变化的过程中会使功率以及频率具有惯性；因为阻尼系数的存在，所以逆变器的并网发电装置可以在一定程度上阻滞电网功率的震荡。以上两个变量对微电网性能起着决定性的作用。

然后，由图3.1.1可得电磁方程

（3.3）

式子中：为同步发电机的同步电感；同步发电机的同步电阻，为同步发电机的机端电压。

若与图3.1.1进行比较的话，我们可以得知在系统中的并网逆变器的输出滤波电感几乎与同步发电机的同步电感相一致，所以可以进行等效。类似地，电路中的滤波器电感和电力设备中的等效电阻也可以用作同步发电机的同步电阻的等效物。同步发电机的瞬态电位也可以等于三相桥臂中点的输出电压。

虽然电磁方程中的和与控制器实际并网逆变器网络中的不同，但在控制策略中，若电阻值越大，则对并网网络中的高频率振荡的抑制作用也就越强。

但也有一些副作用，比如使电压的输出值、有功无功功率的输出值与设定值之间出现偏差。

在实际生产过程中，电感L无可避免的会随着工作状况与自身温度而变化，这是导致误差产生重要原因之一。这从间接反映了该模型的不完善。

3.2有功调节

传统并网同步发电机模型通过调节机械转矩来提高发电机的有功功率输出，然后利用调频器来响应电网的频率偏差。作为参考，并网逆变器的有功功率调节是通过调节VSG虚拟同步发电机的机械转矩来实现的。机械扭矩由机械扭矩指令和频率偏差反馈指令组成，也可以写入

（3.4）

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