2023构网型变流器稳定性机理分析及优化控制研究报告

2023年第九届电气学科青年学者学科前沿研讨会 C构网型变流器稳定性机理分析及优化控制研究 StabilityAnalysisandOptimizationControlofGrid- SRSITYOF FormingConverter 汇报人：黄云辉 单位：武汉理工大学 时间：2023年12月10日 目录 个人简介 研究背景与问题 CONTENTS研究内容 总结与展望 电工技术学报CES电气发布 一、个人简介 姓名：黄云辉 职务：副教授，应用电子工程系副主任，中国电源学会电力电子化电力系统及装备专委会委员 研究方向：新型电力系统控制与稳定分析，风力发电系统并网控制与稳定运行，光伏发电系统并网控制与稳定运行，柔性直流输电及直流电网技术等 个人简介：EE会员，担任电机工程学报、EE期刊等审稿人。主持国家自然科学基金一项，中央高校专项基金两项，国家重点实验室开放基金一项，南方电网开放基金一项，军工科技项目一项，国家电网/南方电网科技项自多项。发表学术论文45篇（SCl检索11篇，El检索19篇），总引用次数超700次（数据来源：WebofScience），单篇最高引用超200次（数据 来源：WebofScience）。荣获2019年武汉电源学会学术年会二等奖、2019年第二届国际电子技术大会（ICET2019）最 气与电子工程领域中国（含港澳台地区）年度科学影响力榜单 电工技术学报CES电气发布 一、个人简介 前期研究方向：跟网型变流器直流电压时间尺度稳定性机理分析及优化控制 本课题培养了4名硕士研究生，在国际学术期肝刊、国际会议及国内核心期刊上发表论文12篇，被SCI收录4篇、EI收录8篇，申请国 家发明专利2项。 YunhuiHuang,DongWang,LeiShang,andGuorongZhu.ModelingandStabilityAnalysisofDC-LinkVoltageControlinMultiVSCswithIntegratedto WeakGrid[J].IEEETrans.EnergyConversion,2017,32(3):1127-1138.(IEEE期刊论文，SCI检索) VYunhuiHuang,XuebingZhai,JiabingHu,DongLiuandChangLin.ModelingandStabilityAnalysisofVSCInternalVoltageinDC-LinkVoltageControl TimeScale[].EmergingandSelectedTopicsinPowerElectronics,IEEEJournalof,2018,6(1):16-28.(IEEE期刊论文，SCI检索) VYunhuiHuang,andDongWang.EffectofControlLoopsInteractionsonPowerStabilityLimitsofVSCIntegratedtoACSystem[J].IEEETrans.PowerDel., 2018331):301-310.（IEEE期刊论文，SCI检索） 黄云辉.弱电网下风机并网变流器直流电压稳定性机理分析与研究[J，高电压技术2017，43：3127-3136.黄云辉.弱电网下基于失量控制的并网变换器功率控制稳定性J.电力系统自动化.2016.40（14）：93-99 黄云辉，连接弱电网的并网变换器直流电压时间尺度稳定器的设计与分析J.电工技术学报，2018，33（S1）：185-192 张思东.黄云辉.弱电网下VSC控制环路对直流电压稳定性的影响分析[J/OL].高电压技术：1-12[2021-06-11] YunhuiHuang,J.Tang,G.Zhu,X.Li,H.Tang,andY.Li,ResearchonDC-linkvoltagestabiliserforvoltagesourceconverterasconnectedtoweakgrid[J] TheJournalofEngineering,2017,2017(13):2168-2172.（EI检索） YunhuiHuang,A.Tang,B.Xiong,Y.Huang,H.Tang,andY.Li,ModelingofMultiVSCsinDC-LinkVoltageControlTimescaleforSmallSignalStability Analysis[J],TheJournalofEngineering,2017,2017(13):2057-2061 黄云辉，胡家兵，徐瑶台，宋泽凡，迟永宁，汤海雁，李琰，田新首，专利名称：一种用于抑制风力发电系统直流电压振荡的稳定器，专利号： CN201810115759.2电工技术学报CES电气发布 二、研究背景与问题G O()( 常规火电厂交流输电 HC串联补偿电力电子负荷 变压器 风电、光伏发电 LCC高压直流输电 柔性直流输电 MMC 变压器 交流电机拖动 0 变压器 交流输电 FACTS 用户 以电压源型变换器为主的换流源作为能量转换单元，实现发电、输电、配电、用电系统之间能量 的交换，广泛的应用于现代电力系统 电压源型变换器是电力电子化电力系统的重要组成单元。发布 二、研究背景与问题 风、光新能源大规模接入引起的稳定性问题 >2015年我国新疆哈密山北地区风电场风机持续产生频率约19.3Hz的次同步振荡 >2016年澳大利亚9.28大停电事故，风电机组大规模脱网等一系列故障，最终演变成50h后恢复供 电的全州大停电； >2019年澳大利亚南部大规模光伏电站产生20Hz左右的次同步功率振荡 >2019年英国89停电事故中，霍恩风电场无功、电压出现约为10Hz的振荡现象，导致大规模切机。 √大规模跟网型变流器接入电网，深刻地影响了电力系统的动态特性。 √随着跟网型变流器渗透率的不断提升，同步发电机占比不断下降，系统短路容量降低，电网强 度减弱。 √跟网型变流器无法提供惯量和频率支撑，不利于电网频率稳定性。 电工技术学报CES电气发布 二、研究背景与问题 G 构网型变流器可以弥补跟网型变流器的不足 电气系统 U igLgIgWLeic WW000 180W80 控制系统 abedg 贝 X oror 下垂虚拟同步机虚拟 参考 信号 -P* -Q* √特点：控制为电压源，不依赖交流电网，不需要锁相环，具备独立构建电压的能力，可以提供惯量和 控制 000 振荡器 二、研究背景与问题 构网型变流器与跟网型变流器的对比分析 跟网型变流器构网型变流器 Opll 锁相环 电网电网 V Z.跟随Z. Vt有功无cd 功控制 ZeiicVt Vt有功无E.0. 功控制 Z. iVt icic 电流控制p*电压控制 受控电流源、有功无功解耦受控电压源、有功无功耦合锁相跟随、电压同步构网独立构网、功率同步 无惯量/频率响应能力、被动支撑有惯量/频率响应能力、主动支撑 强电网稳定、弱电网易失步弱电网稳定、强电网易失步 构网型变流器与跟网型变流器各有特点：刚与柔、主动与被动领导与跟随相得益彰、相互补充。 二、研究背景与问题 构网型变流器引入了新的稳定性问题 传统问题被动跟随”同步稳定性问题新的挑战：“主动构网”同步稳定性问题 Cl:va[250V/div] R1:Vgab[200V/div]短路比：SCR-2短路比：SCR-10 R11 C11 Cl:Vab[200V/div]C3:P[1kW/divC2:12a[10A/div 2-C4J C2-C4:iaibic[20A/div]12Hz88Hz FFE DFT(ia)[5A/div)04 C4:O[ikVAr/div]DFTofP[5Hz/div a）跟网型变流器在弱电网下的失步现象（b）构网型变流器在强电网下的失步现象 构网型变流器接入强电网时，输电线路阻抗较小，相当于两个电压源直接并联运行的工况，两个电 压源通过公共连接点产生刚性强耦合作用。属于。“主动构网”引起的稳定性问题。 二、研究背景与问题G 锁相环 锁相环不响应 1.04 1.03锁相环正常响应 1.02 50Hz1/s1.01 el Uderef 直流电 Opll Uae压控制dg轴电dgE 0.99 0.98 在7.5秒处，系统受到小扰动 Oeref无功功流控制co Qc率控制 ieaficat 8 Tabc 0.97 0.96 7.47.67.8 8.28.48.68.8 (a）锁相环不是跟网型变流器同步稳定的必要条件 t(s) 50Hz1/s在1.0秒处，系统受到小扰动 0m dq轴交 Vmdrer 流电压控制 dg轴电 imdref流控制Umd abc 50 VmdTVmaT imafingt 0.51.5 time(s) 2.5 b）功率同步环不是构网型变流器同步稳定的必要条件 稳定性是由跟网/构网型变流器各控制环路共同作用下=最后在内电势上表征的结果，不是由某个控制环决定的。 二、研究背景与问题G 问题1：动力学特性如何表征 x 01恢复力方 02 Ei 阻尼力 0E 恢复力E2 受小扰动后，内电势频率/相位恢复，重新达到同步 阻尼力户 当变流器内电势受到小扰动后，在阻尼力的作用下恢复至原频率，在恢复力的作用下恢复至原相位 从而可以保证小扰动同步稳定性。 二、研究背景与问题G 问题2：构网型变流器的多时间尺度特性 构网型变流器 ..0 交流电网 功率计算 Pm,Qm P mref- Om0m Js+KDS 00 dg轴交流dq轴电流 Umg bp Omref 电压控制mdref控制Umdabc OmVo Vmdimdt img 功率控制时间尺度工技术电压控制时间尺度布电流控制时间尺度时间轴 三、研究内容 3.1构网型变流器稳定性分析 Wpsc同步发电机构网型VSC二阶动力学简化模型 Kd VSCdP G AF构网型变流器动力学模型 AP阻尼分量 惯性系数阻尼系数恢复系数D+AMD (b)APa AP 失稳Awpse稳定Jos 1/s Aops APd△P 阻尼分量消除 有功一频率振荡 输出功率输出功率 AP, 4./s K+AM, 恢复分量恢复时间时间 有功-频率平衡负阻尼分量的输出功率负恢复分量的输出功率 失稳失稳响应响应 cd 同步分量 三、研究内容G 3.1构网型变流器稳定生分析 16 AM,D 14 SCR=5.16 128 D 量96 100TVC=14.8HzD,=8 8阻 32 60Tvc=21.3Hz 520406080100 40 5.15.25.35.4120 SCR 阻尼系数Dp 低电网阻抗下，端电压控制环引入显著的负附加阻尼分量会降低系统的稳定性。增大端电压环带宽可以减小负阻尼的引入，有效提升系统稳定性 惯量系数减小或阻尼系数增大有利于增加系统阻尼分量，实际等效延迟了系统总阻尼的过零点，改善系统 稳定性。电工技术学报CES电气发布 三、研究内容G 3.1构网型变流器稳定性分析 300.430 SCR=2.7 0.5 SCR-2 28SCR=2.50.4 SCR-2.5 SCR=2.7 子0.3 Aopse 25SCR=2.9 部SCR=2.0 A0pst -Awp 24 ×SCR=2.3 与参因 增强0.2 Axtved20 -AXrveq 稳定性削弱 参0.2 --Arod ..-.Axveq 22/菱 20 -6-5 稳定性 -4 -2 实部 -10 0.1 0.2 0.4 Pe/p.u. X*x×× 15x 实部 0.60.81.0-6-5.5-5-4.5-4-3.5-3-2.5-2 0 0 0.10.2 O/p.u. 0.3 0.40.5 (a)主导特征根(b)状态变量参与因子(a)主导特征根(b)状态变量参与因子 120 A0pseo.lp.u.Apse 幅值/dB 1.0p.u.0.5p.u. 84 值 福100 90 0 0.3p.u. 0.5p.u. o.Ip.u. 03p