本文是一篇电气自动化论文，本文采用在交流励磁中引入VSG控制策略解决DFIG系统惯量缺失和主动支撑能力不足的问题，通过在机侧变流器上对比虚拟同步机控制和传统的下垂控制，验证了VSG控制策略的有效性。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
推动可再生能源的大规模开发是全球各国政府针对化石能源不足、全球气候变暖和能源安全等挑战的关键举措之一。通过利用可再生能源，可以有效减少对有限资源的依赖，并为国家社会经济的可持续发展提供有力支持。由数据可知，到2020年底，全球可再生能源的装机容量达到了历史新高，共计2799吉瓦[1]。根据国际能源署的权威预测，至2023年，可再生能源在全球电力消费中的占比将实现显著增长，预计将达到30%的份额[2]。展望未来，以太阳能、风能为代表的可再生能源将逐渐占据主导地位，其环保特性使得可再生能源在逐步取代传统化石能源的同时，也作为新型电力系统的基石元素而发挥关键作用[3]。以中国为例，根据图1-1可得，在2012年到2023年期间，风电和光伏发电装机容量比例不断增长，并在2023年实现了可再生能源发电总装机容量达50%的目标。此外，为实现碳中和目标，预计到2050年，中国非水能源发电装机比例将达到70%以上[4]。鉴于新能源发电固有的随机性、不规律性等特征，其电力输出难以为电网提供恒定的供应，因此，当新能源发电大规模并入电网时，可能会给电力系统的功率调节和频率稳定带来不可预测的挑战，这已然成为限制新能源技术进一步发展的核心制约因素[5]。
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1.2 变速抽水蓄能机组研究现状
1.2.1 变速抽水蓄能机组发展概况
瑞士在1882年建设了一座抽水蓄能电站——苏黎世奈特拉电站，这也是世界上第一座抽水蓄能电站，装机容量为551kW，自此，抽水蓄能电站在电网中的作用日趋重要[12]。自1935年双轴励磁概念被提出以来，交流励磁领域的研究逐渐成为电力工程领域的热点。随着时间的脚步来到20世纪60年代，交流励磁技术逐渐被学术界应用到抽水蓄能电站的控制系统里面，这一创新举措使得抽水蓄能电站的运行效率有了大幅的提升，为后面变速抽水蓄能电站的广泛使用打下了坚实的基础[18]。随后在20世纪90年代，日本的矢木泽发电厂率先应用了交流励磁变速技术，标志着可变速抽水蓄能发电设备在实际工程中的成功实践，为电力系统的高效与稳定运行提供了有力支持。这一技术进步不仅推动了电力工程领域的学术研究，更为全球能源结构的优化调整提供了重要参考。随后，日本相继完成了矢木泽、高见、大河内等抽水蓄能电站的建设。日本也因此成为了应用变速抽蓄机组时间最早和数量最多的国家。除了日本以外，欧洲也对变速抽水蓄能方面做了许多研究。2004年，德国在金谷抽水蓄能电站投入了两台331MW的交流励磁机组[29]，而斯洛文尼亚则于2009年在AVCE抽水蓄能电站投入了一台195MW的可变速机组。截止2021年年末，全球的抽水蓄能机组的累计装机容量已突破1700兆瓦大关。然而，虽然技术层面已趋成熟，但各国在抽水蓄能技术的规模和成熟度上仍呈现出显著的差异。这种差异主要源于各国的经济实力、工业化发展的阶段、电网负荷的独特性以及能源结构的多元化[19]。因此，在研究抽水蓄能技术的发展与实际应用时，必须充分考量上述因素，使其能够更为深入地洞察该项技术的发展规律并预测未来的发展趋势。
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2 双馈变速抽水蓄能机组的数学建模及控制策略
2.1 水泵水轮机调节系统数学模型
2.1.1 引水系统模型
当系统中控指令发生改变，水轮机随之动作，导叶随着指令改变调节水流流量大小，对水流造成压力波。因为引水管道长度一般超过10米以上，水流为弹性介质，不能及时回弹，产生的压力波动会向引水管道上游传递。这对管道形成了一定的冲击，形成水击现象[54]。水轮机引水系统如图2-2所示。
引水系统的数学模型目前可以分为弹性水击模型、近似弹性水击模型与刚性水击模型[55]。本文为最大限度地接近双馈变速抽水蓄能机组的实际情况，提升模型的精确度，选取近似弹性水击模型：
如图2-1为双馈变速抽水蓄能机组结构示意图，主要可分为两个部分：水轮机调节系统和双馈电机控制系统。水轮机调节系统主要包括水泵水轮机、引水管道系统和调速系统，双馈电机控制系统则主要由双馈电机（DFIG）和背靠背变流器组成。同传统定速机组最大的区别在于，双馈变速抽水蓄能机组的发电电动机使用的是双馈电机，取代了同步电机的位置。水流经过引水管道来到水泵水轮机，将势能转化为机械能，而水泵水轮机又通过一根传动轴与双馈电机相连接，机械能转化为电能。双馈电机的定子与电网直接相连，转子通过背靠背变流器与电网相连，可与电网进行能量交换[53]。为了实现双馈变速抽水蓄能机组的能量平衡与稳定运行，双馈电机控制系统与水轮机调节系统需进行紧密协作。这两个系统的相互配合，不仅确保了机组在能量转换过程中的高效性，还大大提升了其运行的稳定性和可靠性。
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2.5双馈变速抽水蓄能机组模型验证
对双馈变速抽水蓄能机组的数学模型进行验证。双馈电机的参数如表2-1所示，引水系统及伺服系统的参数如表2-2所示。
以10%的功率扰动为例，对双馈变速抽水蓄能机组的模型进行仿真。初始时刻，机组出力为0.8pu，转速为0.955pu，发电机效率为96.1%。在70s，功率参考值从0.8pu阶跃至0.7pu。双馈变速抽水蓄能机组参数变化情况如图2-14所示。
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3 基于虚拟同步机的双馈抽蓄机组控制策略 ......................... 29
3.1 VSG控制策略的基本原理 ............................. 29
3.1.1 虚拟转子轴 ............................ 30
3.1.2 虚拟调速器 ............................... 30
4 VSG惯量阻尼自适应控制策略 ......................... 49
4.1 VSG小信号建模与稳定性分析.............................. 49
4.1.1 小信号稳定性的特征值分析法 ................. 49
4.1.2 VSG系统小信号分析 ...................... 51
5 总结与展望.............................. 65
5.1 全文总结 ................................... 65
5.2 研究展望 ..................................... 66
4 VSG惯量阻尼自适应控制策略
4.1 VSG小信号建模与稳定性分析
4.1.1 小信号稳定性的特征值分析法
电力电子系统的稳定运行对于整个系统的可靠性和效率至关重要，因此小信号稳定性分析成为了关键的技术手段。小信号稳定性分析主要依赖于两大类方法：时域仿真法和频域稳定性分析法。频域稳定性分析法通过分析系统的频率响应和频谱特性来揭示潜在的稳定性问题，这一类方法根据系统建模方法的不同又可分为状态空间方程和闭环传递函数两种，这些方法共同为电力电子系统的稳定性评估提供了强有力的工具。基于系统状态空间方程的这一分析方法是以李雅普诺夫第一方法作为理论依据，是当前小信号分析方法中最有效、理论基础最完善、应用最广泛的方法之一，能够根据系统的实际情况直观地给出系统的振荡频率、阻尼比等用于判断系统小信号稳定性的信息[59]。
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5 总结与展望
5.1 全文总结
随着新能源为主体的新型电力系统建设推进，电力系统对调节电源的需求增加。双馈变速抽水蓄能机组作为高渗透率下新型电力系统的一种高效的调节系统，在维护电网稳定运行方面起着重要作用。本文针对其控制策略进行了研究，提出将虚拟同步机控制策略应用于双馈变速抽水蓄能机组之中，从而使双馈变速抽水蓄能机组能够为电网提供惯性，提高电网的稳定性，以及保证机组适用于新型电力系统快速响应的要求。具体研究内容如下：
（1）构建双馈可变速抽水蓄能机组数学模型，其中包括水泵水轮机模型、调速器及随动系统模型以及引水系统模型的建立，并提出了一种基于水轮机工况的水泵水轮机控制策略。同时，介绍了双馈电机在d/q坐标系下的数学模型，以及双馈电机变流器的数学模型。并分别介绍了GSC和RSC控制策略。GSC采用基于d轴电网电压定向的控制策略，RSC采用基于定子磁链定向的控制策略，最后，仿真验证了所构建的双馈变速抽水蓄能机组数学模型的准确性，为后续章节中的对比分析奠定了坚实的基础。
（2）本文采用在交流励磁中引入VSG控制策略解决DFIG系统惯量缺失和主动支撑能力不足的问题，通过在机侧变流器上对比虚拟同步机控制和传统的下垂控制，验证了VSG控制策略的有效性。结果表明：在负荷变化时，VSG控制策略使得系统变量变化曲线更为平滑，输出电压频率变化量低于下垂控制下的机侧变流器输出电压频率变化值，系统更加稳定。随后，建立了VSG控制策略在双馈抽蓄机组中的控制模型，并提出了基于VSG输出电压外环补偿和内环电流补偿控制的DFIG转子侧变换器设计。仿真结果表明：采用了虚拟同步机控制策略的双馈变速抽水蓄能机组，能够自主响应电网负荷变化导致的频率变化，通过对电网进行惯量补偿来为系统提供功率支撑；可响应电网电压变化，控制双馈抽蓄机组发出或吸收无功功率，维持系统的稳定性。
参考文献（略）