基于钒流电池储能的新能源电站接口特性的研究

Replacing conventional synchronous generator, decentralized and non synchronous generation of micro grid makes characteristic of output interface of micro power much different from that of conventional synchronous generation. The characteristic gives potential risk to the secure and stable operation of micro grid system and causes difficulty to centralized management and control of power system. Virtual Synchronous Generator (VSG) is formed by applying mathematical model of synchronous generator to control algorithms of new energy system and adopting Vanadium Redox Flow Battery (VRB) as energy storage device which has high energy density, large convention capacity and great reliability.Control algorithms of virtual excitation and mover adapted to interfaces of inverter with grid is researched by learning from the conventional control algorithms of excitation controller and mover controller which have a high level of maturity. It is explored that how to make external interface of new energy power plants has characteristics of synchronous generator such as droop characteristic of frequency and voltage amplitude and rotor inertia. The project is of great significance to solve inherent randomness and intermittent problem of new energy generation and provides a new way for improving stability of micro grid system.

针对微网中分散的、不同步的发电单元取代传统同步发电机后其对外接口特性与传统同步发电机的对外接口特性有较大的差异，采用储能密度高、转换容量大、可靠性好的钒流电池(Vanadium Redox Flow Battery，VRB)作为储能装置，将同步发电机数学模型应用到新能源发电系统的控制算法中，形成虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator，VSG）。借鉴已经十分成熟的同步发电机励磁机调节和原动机调节的控制方法，研究适用于微电网中变换器与电网接口的虚拟励磁机调节和虚拟原动机调节的控制算法。探索如何使新能源电站对外接口具有同步发电机的特性，使其对外接口具有电压幅值和频率的下垂特性，能模拟同步发电机的转动惯量。项目对于解决微网中可再生能源发电自身固有的不确定性与不稳定性等问题、提高微网稳定性、大规模应用可再生能源提供了新的思路，具有重要意义。

针对虚拟同步发电机负载有功功率冲击引起的频率突变；多机并联离网模式下的功率分配及下垂控制中并/离网模式的无缝切换；不同容量的VSG并联时的参数调解所带来的环流问题；并网阶段可能会产生的较大的冲击电流问题。项目研究了依托钒流电池的新能源发电用虚拟同步发电机输出特性，采用外环功率内环电压电流的三环控制方法，模拟同步发电机，增大并网逆变器惯性，减弱对电网频率影响，同时参与电网的频率/电压调节。首先课题对嵌入不同电机模型的VSG进行仿真分析，采用dq坐标系下同步发电机的电压、磁链方程及转子运动方程建立VSG本体模型，解决逆变器转动惯量小和负载有功功率冲击引起的频率突变，同时建立转子运动方程小信号模型，根据零极点分布进行VSG的动态响应特性及暂态稳定性分析，提供VSG转动惯量J、阻尼系数D及调差系数Kω等参数的选取参考；其次提出在下垂控制策略中增加惯性环节，减缓无功功率波动引起的电压跌落，以及分析了加入微分负反馈前后VSG的等效阻尼，提出一种改进型虚拟同步发电机有功功率控制策略，解决传统方法调整转动惯量J、阻尼系数D及调差系数Kω难以很好地满足VSG功频调节动静态特性的问题；然后针对离网运行的多机并联情况，对VSG模型参数进行分析与设计优化，使并联微网在加减载时具有良好的动态特性与稳态频率稳定性，同时提出一种二次调频调压控制策略，实现按容量均分功率的VF运行模式；最后研究了基于虚拟功率的预同步方法实现离并网切换，具有控制结构简单，易实现数字化特点，并提出改进自适应转动惯量控制，提高频率恢复速率及频率稳定性。