基于超前滞后滤波器的构网型虚拟同步机改进技术研究

GFVSG在利用一阶低通滤波器实现虚拟惯量控制的同时，也引入了类似于传统同步发电机的并网有功动态振荡问题。针对上述问题，本项目拟提出并研究一种LLF-GFVSG改进策略。主要研究内容包含以下2个部分。

（1）GFVSG的控制原理、小信号建模及其有功响应特性研究。

GFVSG通过模拟传统同步发电机的转子运动方程，即利用包含虚拟惯量参数与虚拟阻尼参数的一阶低通滤波器实现虚拟惯量控制，能够为所接入系统提供必要的惯量与电压支撑，有助于提升电力电子化电力系统的频率稳定性及其电压稳定性。本课题重点阐述GFVSG并网电路结构及其控制原理，建立GFVSG的并网有功小信号数学模型，分析了虚拟惯量与虚拟阻尼对GFVSG并网有功动态与稳态性能的影响机理。

                                                                                   图1  GFVSG的并网电路结构及其控制原理

（2）基于超前滞后滤波器的构网型虚拟同步机改进技术研究。

     为了克服如图1所示基于一阶低通滤波器的GFVSG在优化其并网有功动态与稳态响应性能方面所存在的局限性，本项目通过重构GFVSG并网有功闭环控制系统回路的方式，构建并提出一种LLF-GFVSG改进控制策略，并详细给出了LLF-GFVSG的参数设计方法。图2(a)给出了LLF-GFVSG的并网有功闭环小信号控制模型，图中：K_p与K_d分别为LLF-GFVSG的前向比例系数与前馈比例系数。进一步地，对图2(a)进行控制框图的等效变换可得到如图2(b)所示的LLF-GFVSG并网有功闭环小信号等效控制模型。图2(b)中包含由J、D、K_p与K_d所构成的LLF，故本项目又将所述改进策略简称为LLF-GFVSG。

                                      (a) LLF-GFVSG的控制模型

                                      (b) LLF-GFVSG的等效控制模型

                            图2  LLF-GFVSG的并网有功闭环小信号控制模型

近年来，“碳达峰与碳中和”战略目标推动了以风电、光伏为代表的可再生能源的规模化并网，使得电力系统呈现出高比例可再生能源与高比例电力电子设备的“双高”特征^[1-2]。“双高”电力系统通常具有弱阻尼、低惯量与弱电压支撑能力等缺点，加上大规模可再生能源出力的波动性与不确定性，这在一定程度上削弱了电力电子化电力系统的频率稳定性与运行可靠性^[3-4]。为此，具有一定惯量模拟以及电压调节能力的构网型虚拟同步机(Grid-Forming Virtual Synchronous Generator，GFVSG)及其相关控制技术应运而生。GFVSG通过模拟传统同步发电机的转子运动方程，即利用包含虚拟惯量参数与虚拟阻尼参数的一阶低通滤波器实现虚拟惯量控制，能够为所接入系统提供必要的惯量与电压支撑，有助于提升电力电子化电力系统的频率稳定性及其电压稳定性^[5-6]。

值得指出的是，GFVSG在实现虚拟惯量控制的同时，使得其并网有功闭环控制系统升级成为一个二阶振荡系统，易导致GFVSG的并网有功在有功指令、电网频率等扰动下出现与传统同步发电机类似的动态振荡现象^[7-8]。GFVSG并网有功动态振荡过程中存在的波动大电流易造成过流能力较弱的电力电子变换器出现过流保护而停机甚至硬件设备烧坏，这就降低了GFVSG并网运行的可靠性与安全性^[9]。目前，应用于抑制或消除GFVSG并网有功动态振荡的控制方法主要包括自适应参数调节方法^[10-13]、动态反馈补偿方法^[14-17]与动态前馈补偿方法^[18-21]三种类型。

其中，自适应参数调节方法利用GFVSG的虚拟惯量、虚拟阻尼或虚拟阻抗等参数不受物理条件限制而可在线灵活调节的特点，优化GFVSG并网有功的动态响应性能。文献[10]根据GFVSG输出角频率与角频率变化率的乘积符号对虚拟惯量参数进行自适应调节，以抑制GFVSG并网有功的动态振荡。文献[11-12]通过同时自适应调节虚拟惯量参数和虚拟阻尼参数的方式，进一步实现GFVSG并网有功动态响应性能的优化。文献[13]将自适应虚拟阻抗调节方法应用到GFVSG并网系统中，提升系统抑制并网有功动态振荡的能力。值得指出的是，文献[10-13]中的自适应参数调节方法需要在线改变GFVSG的关键参数，并将参数的非线性变化特征引入至GFVSG的并网系统中，增加了系统参数整定的难度以及运行失稳的风险。

与自适应参数调节方法不同的是，动态反馈补偿方法与动态前馈补偿方法在保证GFVSG关键参数不变的前提下，通过重构GFVSG并网有功闭环控制系统回路的方式，改善GFVSG并网系统的动态响应特性。文献[14]与文献[15]分别将基于并网有功与输出角频率的微分反馈环节引入至GFVSG的控制回路中，但微分算法的数字化实现会带来高频谐波干扰的问题。文献[16]将并网有功比例反馈环节替换成基于超前滞后滤波器的比例反馈环节，避免了微分运算，但增加了系统控制的阶数。文献[17]将基于并网有功一阶滞后环节增加至GFVSG的反馈回路中，具有与文献[16]相类似的控制效果，但增加了参数设计的难度。值得指出的是，文献[14-17]中的动态反馈补偿方法需要在反馈变量出现偏差后才产生效果，控制存在一定的被动性。

与动态反馈补偿方法具有被动性不同的是，动态前馈补偿方法在控制效果上具有一定的主动性。文献[18]将有功微分前馈环节增加至GFVSG的控制回路中，但有功微分运算会引入高频谐波信号。文献[19]在GFVSG控制回路中加入基于角频率超前滞后滤波器的前馈环节，无需进行微分运算，但增加了系统的控制阶数与参数设计难度。文献[20]将基于有功指令前馈环节引入至GFVSG的控制回路中，具有参数设计直观的优点，但参数设计依赖于系统的线路阻抗参数。文献[21]利用基于相位动态前馈补偿的方式优化了GFVSG并网有功的动态响应性能，前馈参数设计无需依赖系统参数，但系统存在抑制高频干扰信号能力减弱的问题。

为此，本项目在上述动态前馈补偿方法的基础上，建立GFVSG的并网有功闭环小信号模型，分析GFVSG在有功指令、电网频率2种扰动下存在并网有功动态振荡的原因，提出一种基于超前滞后滤波器的GFVSG(Lead-Lag Filter Based GFVSG，LLF-GFVSG)改进策略，并给出相应的参数设计方法。最后，利用MATLAB仿真对比结果验证了所述LLF-GFVSG策略在2种扰动下抑制并网有功动态振荡的有效性与优越性。

参考文献：

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       GFVSG是解决规模化可再生能源安全与可靠接入电网的新型关键技术，可以克服可再生能源系统惯量小与抵抗负载扰动能力弱的问题，并消减风电和光伏等可再生能源发电的间歇性对系统频率稳定性的影响。GFVSG在利用一阶低通滤波器实现虚拟惯量控制的同时，也引入了类似于传统同步发电机的并网有功动态振荡问题。本项目拟针对上述主要问题在已有成果的基础上展开研究，主要的特色和创新点如下：

（1）GFVSG 技术可表现出同步发电机的优良特性，控制简单，对配电网具备天然的友好性，有利于并网系统的可靠运行，同时避开了由锁相环同步所引入的并网负阻尼缺陷，真正实现了与电网的同步，改善了GFVSG并网系统的稳定性。

（2）基于GFVSG的并网小信号建模及其有功响应特性研究。建立GFVSG并网有功闭环的小信号数学模型，重点研究虚拟量与虚拟阻尼参数对GFVSG并网系统有功功率、输出频率的动态响应性能与稳态响应性能的影响规律，为改进控制技术的研究提供理论依据与模型基础。

（3）基于超前滞后滤波器的构网型虚拟同步机改进技术研究。能解决基于一阶低通滤波器的GFVSG所存在的类似于传统同步发电机的并网有功动态振荡问题，又能消除GFVSG的并网有功所存在的稳态偏差，具有不影响一次调频特性、不增加控制系统阶数、无需进行微分运算和不存在输出频率过冲风险的优势。

1、技术路线

       1、技术路线

随着日益增长的可再生能源规模化接入电网，以电力电子器件构成的逆变器被大量引入电力系统。与传统的同步发电机不同，电力电子接口不具备足够的惯性，当大量具有随机性，波动性的可再生能源接入电网时，会对电力系统的稳定运行带来严峻的挑战。针对以上问题，在查阅相关资料，学习和掌握国内外该领域最新研究成果的基础上，提出现有成果存在的问题，并找到新的方法予以解决。

本项目的关键技术有以下2点：

（1）基于GFVSG的并网系统小信号建模及其响应特性研究；

（2）基于超前滞后滤波器的构网型虚拟同步机改进技术研究。

在查阅相关资料的基础上，针对提出的关键性技术进行研究，研究和提出解决问题的理论基础、技术路线和验证方法。在此基础上，构建构网型虚拟同步机并网系统的MATLAB软件测试或实验平台环境，对提出的方法、技术进行仿真或实验对比验证。本项目的开发流程如图3所示。

                                                                    图3  项目开发流程

2、拟解决问题

       本项目针对GFVSG并网系统存在的有功动态振荡与功率超调问题进行研究，在GFVSG控制结构的基础上，对LLF-GFVSG改进控制技术进行研究。本项目拟解决的关键科学问题如下：

（1）建立GFVSG并网系统的小信号数学模型，并揭示其运行控制机理；

（2）搭建GFVSG并网系统MATLAB仿真模型，研究影响其并网有功动态响应与稳态响应的关键因素；

（3）LLF-GFVSG改进控制技术，能够有效解决GFVSG的并网有功所存在的动态响应性能与稳态性能难以兼顾的问题。

3、预期成果

（1）设计并搭建基于GFVSG的并网系统MATLAB仿真模型，LLF-GFVSG改进控制技术，使GFVSG并网系统具有良好的动态与稳态响应性能；

（2）发表学术论文1篇、申请国家发明专利1项；

（4）培养项目组成员科研论文撰写能力、创新性研究水平以及相关能力；

（4）按时结题，提交结题报告。

       第一阶段：2024年5月至2024年9月。5-6月，搜集中英文资料，集中小组成员进行相关研究学习。了解GFVSG控制研究的最新成果。7-8月，整理资料，讨论并形成初步设计思路。9月，完善和改进GFVSG并网系统设计。

第二阶段：2024年10-11月。掌握GFVSG并网系统的小信号建模与响应特性分析方法，学习Matlab/Simulink建模有关知识，熟练掌握软件的使用并搭建GFVSG并网系统仿真模型。

第三阶段：2024年12月至2025年2月。基于LLF-GFVSG并网系统的MATLAB仿真模型搭建以及并网响应性能优化验证，完善系统设计和工作细节。

第四阶段：2025年3月至2025年4月。结题。包括写结题申报书、完善有关书面的材料、撰写研究论文、专利和筹备项目成果交流会。