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基于储能虚拟同步发电机的发电并网稳定研究

申报人:彭鑫雨 申报日期:2025-01-08

基本情况

2025年批次
基于储能虚拟同步发电机的发电并网稳定研究 学生申报
创业训练项目
工学
自动化类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
针对大量分布式电源接入电网使电网惯量减少的问题,本项目在虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制技术的基础上改进控制算法,借鉴同步发电机的工作原理,加入自适应虚拟惯量技术,使得储能逆变器具有可与同步发电机相比拟运行特性。本项目给新能源发电并网提供了一种主动频率支撑控制策略,有利于维持电网的频率稳定,从而为电网用户提供优质的电能。

2023-2024年 挑战杯“银发卫士—智慧医养平台的引领者”‘、国际大学生创新创业大赛负责人

2025年获“正大杯”市场调研大赛国家级三等奖

2025年获“蓝桥杯”EDA设计与开发省级三等奖

2024-2025互联网+校级三等奖

彭鑫雨,石荣亮,白馨元,赖振晖,沈姮妤. 基于虚拟阻抗的构网型VSG并网系统功频振荡抑制策略[J/OL]. 电子技术, 2025. (已录用)
沈姮妤,石荣亮,赖振晖,白馨元,彭鑫雨. 分数阶虚拟同步机并网系统的功频振荡特性分析与抑制[J/OL]. 电子技术, 2025. (已录用)
主要论文
[1]Lieping Zhang,Xiaoxu Shi,Liu Tang,Yilin Wang,Jiansheng Peng and Jianchu Zou*. RRT Autonomous Detection Algorithm Based on Multiple Pilot Point Bias Strategy and Karto SLAM Algorithm[J].CMC-Computers, Materials & Continua,2024,78(2):2111-2136.
[2]Haizhao Lu, Lieping Zhang, Hongyuan Chen, Shenglan Zhang, Shoufeng Wang, Huihao Peng,Jianchu Zou*. An Indoor Fingerprint Positioning Algorithm Based on WKNN and Improved XGBoost[J]. Sensors,2023, 23:3952.
[3]Lieping Zhang, Xiaoxu Shi, Yameng Yi,Liu Tang,Jiansheng Peng,Jianchu Zou*. Mobile Robot Path Planning Algorithm Based on RRT_Connect[J]. Electronics,2023,12,2456.
[4]Xin Zhang,Xiaoxu Shi,Zuqiong Zhang,Zhengzhong Wang,Lieping Zhang*. A DDQN Path Planning Algorithm Based on Experience Classification and Multi Steps for Mobile Robots[J]. Electronics,2022, 11:2120.
[5]Junkang Wu,Zuqiong Zhang,Shenglan Zhang,Zhenwu Kuang,Lieping Zhang*. UWB Positioning Algorithm Based on Fuzzy Inference and Adaptive Anti‐NLOS Kalman Filtering[J]. Appl. Sci. 2022, 12:6183.
[6]Lieping Zhang,Huihao Peng,Jiajie He,Shenglan Zhang*,Zuqiong Zhang. Three-dimensional localization algorithm of mobile nodes based on received signal strength indicator-angle of arrival and least-squares support-vector regression[J]. International Journal of Distributed Sensor Networks,2022, 18(7):1-12.
[7]Zhihao Li,Junkang Wu,Zhenwu Kuang,Zuqiong Zhang,Shenglan Zhang,Luxi Dong,Lieping Zhang*. Moving Target Tracking Algorithm Based on Improved Resampling Particle Filter in UWB Environment[J].Wireless Communications and Mobile Computing,2022, Article ID 9974049.
[8]Lieping Zhang, Liu Tang, Shenglan Zhang, Zhengzhong Wang,Xianhao Shen, Zuqiong Zhang*. A Self‐Adaptive Reinforcement‐Exploration Q‐Learning Algorithm [J]. Symmetry ,2021, (13):1057.
[9]Lieping Zhang, Jinghua Nie,Shenglan Zhang,Yanlin Yu,Yong Liang,Zuqiong Zhang*. Research on the Particle Filter Single-Station Target Tracking Algorithm Based on Particle Number Optimization[J]. Journal of Electrical and Computer Engineering,2021,(2021): Article ID 2838971.
[10]Lieping Zhang, Zhengzhong Wang, Peng Cao, Shenglan Zhang*. A Maximum Power Point Tracking Algorithm of Load Current Maximization-Perturbation and Observation Method with Variable Step Size[J].Symmetry, 2020, 12:244.
[11]Lieping Zhang,Zhenwu Kuang,Zhengzhong Wang,Zhenyu Yang, Shenglan Zhang. A node three-dimensional localization algorithm based on RSSI and LSSVR parameters optimization[J].Systems Science & Control Engineering, 2020,8(1):477 -487.
[12]Zhang Lieping,Wang Zhengzhong,Yang Zhenyu,Wang Rui,Li Kunjian,Wei Keying, Zhang Shenglan, Zhang Yu*. Research on Elderly Behavior Monitoring Technology Based on WSN and Neural Network[J].Recent Advances in Electrical & Electronic Engineering, 2020,13(4):602-616.
[13]张烈平,彭慧豪,唐柳,于滟琳.一种基于UKF和PF混合滤波的目标跟踪算法,2023-3-28,中国,202010547096.9.
[14]张烈平,吴俊康,谭铭扬,聂靖华,李智浩,匡贞伍.一种基于UWB移动节点的移动目标定位算法,2022-6-7,中国,202011362064.8.
[15]张烈平,王瑞,惯性轮控制方法及装置,2019-09-06,中国,201710200106. X.
[16]张烈平,王瑞,电机驱动装置及系统,2023-8-1,中国,201710244048.0.
[17]张烈平,陈泓源,李智浩,黄自晨,尹亚梦.一种联合区域划分和分簇路由的 WRSN能耗优化算法,2023-06-20,中国,2023107359739.9.
[18]张烈平,陈泓源,李智浩,黄自晨,尹亚梦.考虑抢占更新策略和双层层次分析法的移动充电规划算法,2023-08-31,中国,2023111188920.0.
[19]张烈平,王守峰.无线传感器网络节点定位技术研究[M].北京:中国原子能出版社,2019.
[20]张烈平,张玉. 《自动控制原理》,电子科技大学出版社,2017.
[21]张烈平,邱鹏,梁勇.《数字电子技术》,四川大学出版社,2020.
主要科研项目
[1]国家自然科学基金项目,61741303,无线传感器网络移动节点三维定位技术研究,主持。
[2]广西自然科学基金项目,2017GXNSFAA198161,无线传感器网络移动节点三维定位技术研究,主持。
[3]广西自然科学基金项目,桂科自0991252,网络环境下多总线分布式控制的多Agent模型研究,主持。
[4]国家自然科学基金项目,1662018,无线传感网中面向移动目标检测的最小暴露路径问题的优化新模型与求解算法研究,参与。
[5]广西科技重大专项,2022AA05002,应急救援机器人技术研发及成果转化,参与。
[6]广西重点研发计划,桂科AB22035041,大型低温储罐智能化气升顶监测关键技术及工程应用研究,参与。
[7]广西科技重大专项,桂科AA18242048,面向5G应用的新一代无线光传输技术研究及成果转化应用,参与。
[8]广西科技重大专项,桂科AA18118038,近海岸双频激光LiDAR探测仪产品开发与应用示范,参与。
[9]广西自然科学基金项目,2015GXNSFBA139254,冗余部署下无线传感器网络多目标动态覆盖控制技术研究,参与。
[10]教育部产学合作协同育人项目,新工科背景下机器人工程专业课程体系优化与实践,230805812121802,主持。
[11]自治区级新工科研究与实践项目, XGK202314,机器人工程专业三主体多维协同、产教深度融合的校企合作模式探索与实践,主持。
[12]广西学位与研究生教育改革课题,JGY2022159,地方高校电子信息专业学位硕士研究生创新实践能力提升研究与实践,主持。
[13]广西高等教育本科教学改革工程立项项目重点项目,2017JGZ128,校企融合、创新实践贯通的自动化专业人才培养模式研究与实践,主持。
主要获奖
[1]广西高等教育自治区级教学成果二等奖,“赛研助力 校企搭台,地方高校自动化专业大学生创新实践能力提升研究与实践”,主持。
[2]广西高等教育自治区级教学成果二等奖,“基于产品制造流程的机械设计制造及其自动化专业基础课程群教学改革与实践”,参与。
[3] 广西高等教育自治区级教学成果一等奖, “三位一体、厚融强能,地方高校大学生就业创业教育协同递进模式的构建与实践”,参与。
[4]广西高等教育自治区级教学成果一等奖,“地方高校专业建设‘一二四四’模式构建与实践”,参与。
指导老师可在能源互联网相关技术资料查询、储能并网系统仿真模型及其实验测试、论文发表、专利申请等方面提供技术支撑与理论指导。
中共党员,博士、教授、硕士生导师。现为教育部高等学校自动化类专业教学指导委员会协作委员,广西本科高校电气工程及其自动化类专业教学指导委员会副主任委员,

科研经历如下:

主要论文
[1]Lieping Zhang,Xiaoxu Shi,Liu Tang,Yilin Wang,Jiansheng Peng and Jianchu Zou*. RRT Autonomous Detection Algorithm Based on Multiple Pilot Point Bias Strategy and Karto SLAM Algorithm[J].CMC-Computers, Materials & Continua,2024,78(2):2111-2136.
[2]Haizhao Lu, Lieping Zhang, Hongyuan Chen, Shenglan Zhang, Shoufeng Wang, Huihao Peng,Jianchu Zou*. An Indoor Fingerprint Positioning Algorithm Based on WKNN and Improved XGBoost[J]. Sensors,2023, 23:3952.
[3]Lieping Zhang, Xiaoxu Shi, Yameng Yi,Liu Tang,Jiansheng Peng,Jianchu Zou*. Mobile Robot Path Planning Algorithm Based on RRT_Connect[J]. Electronics,2023,12,2456.
[4]Xin Zhang,Xiaoxu Shi,Zuqiong Zhang,Zhengzhong Wang,Lieping Zhang*. A DDQN Path Planning Algorithm Based on Experience Classification and Multi Steps for Mobile Robots[J]. Electronics,2022, 11:2120.
[5]Junkang Wu,Zuqiong Zhang,Shenglan Zhang,Zhenwu Kuang,Lieping Zhang*. UWB Positioning Algorithm Based on Fuzzy Inference and Adaptive Anti‐NLOS Kalman Filtering[J]. Appl. Sci. 2022, 12:6183.
[6]Lieping Zhang,Huihao Peng,Jiajie He,Shenglan Zhang*,Zuqiong Zhang. Three-dimensional localization algorithm of mobile nodes based on received signal strength indicator-angle of arrival and least-squares support-vector regression[J]. International Journal of Distributed Sensor Networks,2022, 18(7):1-12.
[7]Zhihao Li,Junkang Wu,Zhenwu Kuang,Zuqiong Zhang,Shenglan Zhang,Luxi Dong,Lieping Zhang*. Moving Target Tracking Algorithm Based on Improved Resampling Particle Filter in UWB Environment[J].Wireless Communications and Mobile Computing,2022, Article ID 9974049.
[8]Lieping Zhang, Liu Tang, Shenglan Zhang, Zhengzhong Wang,Xianhao Shen, Zuqiong Zhang*. A Self‐Adaptive Reinforcement‐Exploration Q‐Learning Algorithm [J]. Symmetry ,2021, (13):1057.
[9]Lieping Zhang, Jinghua Nie,Shenglan Zhang,Yanlin Yu,Yong Liang,Zuqiong Zhang*. Research on the Particle Filter Single-Station Target Tracking Algorithm Based on Particle Number Optimization[J]. Journal of Electrical and Computer Engineering,2021,(2021): Article ID 2838971.
[10]Lieping Zhang, Zhengzhong Wang, Peng Cao, Shenglan Zhang*. A Maximum Power Point Tracking Algorithm of Load Current Maximization-Perturbation and Observation Method with Variable Step Size[J].Symmetry, 2020, 12:244.
[11]Lieping Zhang,Zhenwu Kuang,Zhengzhong Wang,Zhenyu Yang, Shenglan Zhang. A node three-dimensional localization algorithm based on RSSI and LSSVR parameters optimization[J].Systems Science & Control Engineering, 2020,8(1):477 -487.
[12]Zhang Lieping,Wang Zhengzhong,Yang Zhenyu,Wang Rui,Li Kunjian,Wei Keying, Zhang Shenglan, Zhang Yu*. Research on Elderly Behavior Monitoring Technology Based on WSN and Neural Network[J].Recent Advances in Electrical & Electronic Engineering, 2020,13(4):602-616.
[13]张烈平,彭慧豪,唐柳,于滟琳.一种基于UKF和PF混合滤波的目标跟踪算法,2023-3-28,中国,202010547096.9.
[14]张烈平,吴俊康,谭铭扬,聂靖华,李智浩,匡贞伍.一种基于UWB移动节点的移动目标定位算法,2022-6-7,中国,202011362064.8.
[15]张烈平,王瑞,惯性轮控制方法及装置,2019-09-06,中国,201710200106. X.
[16]张烈平,王瑞,电机驱动装置及系统,2023-8-1,中国,201710244048.0.
[17]张烈平,陈泓源,李智浩,黄自晨,尹亚梦.一种联合区域划分和分簇路由的 WRSN能耗优化算法,2023-06-20,中国,2023107359739.9.
[18]张烈平,陈泓源,李智浩,黄自晨,尹亚梦.考虑抢占更新策略和双层层次分析法的移动充电规划算法,2023-08-31,中国,2023111188920.0.
[19]张烈平,王守峰.无线传感器网络节点定位技术研究[M].北京:中国原子能出版社,2019.
[20]张烈平,张玉. 《自动控制原理》,电子科技大学出版社,2017.
[21]张烈平,邱鹏,梁勇.《数字电子技术》,四川大学出版社,2020.
主要科研项目
[1]国家自然科学基金项目,61741303,无线传感器网络移动节点三维定位技术研究,主持。
[2]广西自然科学基金项目,2017GXNSFAA198161,无线传感器网络移动节点三维定位技术研究,主持。
[3]广西自然科学基金项目,桂科自0991252,网络环境下多总线分布式控制的多Agent模型研究,主持。
[4]国家自然科学基金项目,1662018,无线传感网中面向移动目标检测的最小暴露路径问题的优化新模型与求解算法研究,参与。
[5]广西科技重大专项,2022AA05002,应急救援机器人技术研发及成果转化,参与。
[6]广西重点研发计划,桂科AB22035041,大型低温储罐智能化气升顶监测关键技术及工程应用研究,参与。
[7]广西科技重大专项,桂科AA18242048,面向5G应用的新一代无线光传输技术研究及成果转化应用,参与。
[8]广西科技重大专项,桂科AA18118038,近海岸双频激光LiDAR探测仪产品开发与应用示范,参与。
[9]广西自然科学基金项目,2015GXNSFBA139254,冗余部署下无线传感器网络多目标动态覆盖控制技术研究,参与。
[10]教育部产学合作协同育人项目,新工科背景下机器人工程专业课程体系优化与实践,230805812121802,主持。
[11]自治区级新工科研究与实践项目, XGK202314,机器人工程专业三主体多维协同、产教深度融合的校企合作模式探索与实践,主持。
[12]广西学位与研究生教育改革课题,JGY2022159,地方高校电子信息专业学位硕士研究生创新实践能力提升研究与实践,主持。
[13]广西高等教育本科教学改革工程立项项目重点项目,2017JGZ128,校企融合、创新实践贯通的自动化专业人才培养模式研究与实践,主持。
主要获奖
[1]广西高等教育自治区级教学成果二等奖,“赛研助力 校企搭台,地方高校自动化专业大学生创新实践能力提升研究与实践”,主持。
[2]广西高等教育自治区级教学成果二等奖,“基于产品制造流程的机械设计制造及其自动化专业基础课程群教学改革与实践”,参与。
[3] 广西高等教育自治区级教学成果一等奖, “三位一体、厚融强能,地方高校大学生就业创业教育协同递进模式的构建与实践”,参与。
[4]广西高等教育自治区级教学成果一等奖,“地方高校专业建设‘一二四四’模式构建与实践”,参与。
指导老师可在能源互联网相关技术资料查询、储能并网系统仿真模型及其实验测试、论文发表、专利申请等方面提供技术支撑与理论指导。
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
彭鑫雨 机械与控制工程学院 自动化 2023 统筹项目研究和进展
苏小梦 数学与统计学院 应用统计学 2023 搭建实验仿真模型
沈姮妤 机械与控制工程学院 机械设计制造及其自动化(中外合作办学) 2024 搭建实验仿真模型

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
张烈平 机械与控制工程学院

立项依据

(1)基于储能VSG的并网系统稳定性建模及其方法研究。
储能逆变器通常采用Droop控制策略来实现多机并联运行时的有功功率、无功功率均分,Droop控制的本质就是通过模拟同步发电机的有功-频率与无功-电压下垂调节的输出外特性。比较Droop与VSG控制2者的Pe-ω特性,并指出了两者的本质联系;其次借鉴Droop的小信号模型,建立VSG在并网条件下的小信号模型,分析了虚拟惯量对VSG并网稳定性的影响。
(2)基于自适应虚拟惯量的VSG主动调频控制方法研究。
针对现有控制技术存在的问题,探寻一种适用于储能并网系统的频率稳定性控制技术,即研究基于自适应虚拟惯量的VSG主动调频方法,既能在避免频率微分运算的前提下完成虚拟惯量自适应调节,又能实现多约束限制下的自适应虚拟惯量控制,满足并网系统主动参与电网调频的需求侧频率响应要求,以提升电网的频率稳定性。
储能系统是新能源系统中非常重要的组成部分,可以克服新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。带有储能系统的逆变器(简称储能逆变器)是保证新能源系统得以可靠运行的重要元件之一,传统的Droop控制的储能逆变器由于不具备与同步发电机相类似的转动惯量,导致其频率易受负载扰动的影响。本课题拟针对该问题在已有的基础上上展开研究,主要的特色和创新点如下:
(1)VSG 技术可使储能逆变器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。同时克服因功率计算环节引起的控制滞后,重新设计了功率计算环节,改善了改善VSG控制的动态性能。
(2)基于储能VSG的并网系统稳定性建模及其方法研究。建立VSG独立运行和并联运行时的小信号模型,针对虚拟惯性参数对VSG系统独立运行以及并联运行的稳定性进行了分析,通过和Droop控制在独立运行与组网运行2 种情况下的比较分析,说明了VSG在并网系统运行中的优越性。
(3)基于自适应虚拟惯量的VSG主动调控制方法研究。能在避免频率微分运算的前提下完成虚拟惯量的自适应调节,又能实现多约束限制下的自适应虚拟惯量控制。
1、技术路线
随着日益增长的分布式电源以微电网的形式并入电网,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,波动性的分布式电源接入电网时,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)基于储能VSG的并网系统稳定性建模及其方法研究;
(2)基于自适应虚拟惯量的VSG主动调频控制方法研究。
要实现VSG控制技术下光伏储能并网系统的稳定性建模,首先要对传统的同步发电机物理运行特性进行分析,从中建立同步发电机的数学模型。在下垂控制的基础上,加入虚拟惯量与虚拟阻尼,即VSG控制技术,使带有储能系统的逆变器在此控制技术下具有与同步发电机相比拟的运行性能。不同的虚拟惯量会对系统的频率稳定产生不同的影响,目前大多方案中的自适应虚拟惯量实现均根据VSG的加速度和滑差选择不同的虚拟惯量值,需要对频率进行微分运算而引入谐波放大的问题,且忽略了许多约束虚拟惯量自适应调节的重要条件。因此,亟需在充分考虑各种约束条件下,寻找一种虚拟惯量自适应调节的控制方法,以增强VSG技术在微电网系统中的实用化。
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,构建储能虚拟同步机微电网系统实验平台环境,对提出的方法、技术进行仿真与实验验证。
2、拟解决问题
本项目针对光伏储能并网系统频率稳定性问题进行研究,在VSG控制技术的基础上,对VSG主动调频控制方法进行研究。本项目拟解决的关键科学问题如下:
(1)建立基于储能VSG并网系统的数学模型,并揭示其运行机理;
(2)搭建系统仿真模型,研究影响系统频率稳定的因素;
(3)改进自适应虚拟惯量的VSG控制方法,实现复杂约束条件下具有良好的主动调频能力。
3、预期成果
(1)设计并搭建基于储能虚拟同步机的并网系统模型,改进控制方法,使系统具有良好的主动调频性能;
(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以及创新性研究水平和相关能力;
(4)按时结题,提交结题报告。
第一阶段:2025年4月至2025年9月。4-6月,搜集中英文资料,集中小组成员进行相关研究学习。了解VSG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,完善和改进系统设计。
第二阶段:2025年10-11月。学习Matlab/Simulink建模有关知识,熟练掌握软件的使用并搭建系统仿真。
第三阶段:2025年12月至2026年2月。基于HK-FGB-01型风光互补发电实训平台检验系统设计的实用性以及主动调频效果。完善系统设计和工作细节。
第四阶段:202年3月至2026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。
本项目依托单位是桂林理工大学机械与控制工程学院,申请者所在的自动化专业有电力电子技术实验室,这为本项目的研究奠定了良好的基础。借助于近年来学校学科建设的机遇,我院自动化专业拥有一套HK-FGB-01型风光互补发电实训系统实验平台。有限元分析软件ANSYS、ABAQUS,离线波形处理软件Xviewer,以及仿真软件Matlab/Simulink等可供本项目开展理论仿真研究。分析测试设备拥有如NI公司的PXI测试系统、FLUKE万用表、Yokogawa示波器等,这为本项目研究的数据分析处理、调试测试提供了帮助。只需要添置部分设备配件即可构成项目研究所需要的实验环境。
风险
本项目针对光伏储能并网系统频率稳定性问题进行研究,在VSG控制技术的基础上,对VSG主动调频控制方法进行研究。本项目拟解决的关键科学问题如下:
(1)建立基于储能VSG并网系统的数学模型,并揭示其运行机理;
(2)搭建系统仿真模型,研究影响系统频率稳定的因素;
(3)改进自适应虚拟惯量的VSG控制方法,实现复杂约束条件下具有良好的主动调频能力。
措施
(1)设计并建基于储能虚拟同步机的并网系统模型,改进控制方法,使系统具有良好的主动调频性能;
(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以及创新性研究水平和相关能力;
(4)按时结题,提交结题报告。
预计经费5000元,其中版面费或专利申请费1000元,购买设配件以完善已有测试平台1000元。

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 5000.00 3000.00 2000.00
1. 业务费 3500.00 1500.00 2000.00
(1)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(2)会议费 0.00 0.00 0.00
(3)差旅费 1000.00 交通和食宿费 500.00 500.00
(4)文献检索费 0.00 0.00 0.00
(5)论文出版费 2500.00 版面费或专利申请费 1000.00 1500.00
2. 仪器设备购置费 1000.00 购买设配件以完善已有测试平台 1000.00 0.00
3. 材料费 500.00 资料打印图书购买 500.00 0.00
结束