2024新能源发电集群分布式稳定控制技术研究报告

合肥工荣大学 研究方向 个人介绍 主要从事新能源利用与分布式发电技术的相关研究，包括： ·新能源并网与新型电力系统稳定性分析方法 ·多逆变器电站的分布式协同稳定控制技术 李明主持的科研项目 副教授作为项目负责人主持国家自然科学基金青年项目、国家重点研发计划项目 黄山学者学术骨干子研究课题和中国博士后科学基金面上项目等 中国电源学会青年 工作委员会常务委员教育和工作经历 清华大学博士后 曾获中国电源学会优秀博士 本科合肥工业大学 学位论文奖、国际IEEE·专业：电气工程及其自动化 EcCEAsia会议最佳论文硕博连读合肥工业大学（免试） 和中国电源学会学术年会优 等奖、中国电机工程学会·专业：电气工程导师：张兴教授（二级教授） 秀论文/最佳报告人奖、期博士后清华大学 刊优秀论文奖等荣誉、《全专业：控制科学与工程导师：耿华教授（IEEEFelloW，长江学者） 球能源互联网》担任国际会 议SPIES2022出版主席等 2 合肥工荣大学2024年第21届中国电气自动化与电控系统学术年会 新能源发电集群分布式稳定控制技术 李明 副教授、黄山学者学术骨王 合肥工业大学 2024.5.25 合肥工荣大学提纲 研究背景 传统跟网型并网稳定问题三、传统构网型并网稳定问题 四、新能源发电集群分布式稳定控制技术 五、小结 3 合肥工荣大学 1.研究背景 口研究背景新能源发电的大规模应用 随着全球范围内化石能源的日益枯竭，以光伏、风电等为代表的清洁新能源正越来越受关注 TWh/年 大规模开发利用新能源是实现 “双碳”自标的有力手段 60000亿吨碳达峰 时刻 50000 120 110 40000风电100 90 碳汇量碳排量 30000光伏-碳中和 30时刻 0 2000020碳汇量 10000 化石能源10 2016..2030.2040..2050 -10 202020252030203520402045205020552060 新能源发电容量预测及“双碳”战略示意图 4 合肥工业大学 1.研究背景 口研究背景未端弱电网的形成和特点 形成未端弱电网的主要因素： 大量的电力电较长的输电线路广泛应用的变压器子逆变器设备 可电网引入了不可忽略的等效阻抗且往往大幅波动 新能源发电站 公共耦合点公共电网 PCC长输电线路 PGUC 发电单元 接入点 PGUC 单元变压器 电站长输电线路电站 新能源发电站 PGUC 变压器变压器 发电单元 接入点 PGUC 并网变流器 PGUC POCPOCPGUC 电站电站 接入点接入点 PGUC 并网变流器 高渗透率新能源发电系统典型结构 6 合肥工荣大学提纲 研究背景 传统跟网型并网稳定问题三、传统构网型并网稳定问题 四、新能源发电集群分布式稳定控制技术 五、小结 合肥工荣大學 2.1为什么采用跟网型并网模式？ 2、传统跟网型并网稳定问题 ·目前，大部分并网逆变器采用跟网型并网模式，其原因有： 1）发电机是容量足够大的电压源 2）为了最大限度地利用新能源发电（MPPT） 3）并网控制需要快速的功率响应 4）并网电流的高电能质量 5）多机并联的抗扰性强 iLaboUoabe电网电压锁相 dq坐标abc 系控制 PLLPWMWaves da电压前馈 PIdq iL4Delay LinkKrws iLaePIabc 跟网型并网模式典型结构及其PLL示意图 8 合肥工荣大学 2、传统跟网型并网稳定问题 2.2高渗透条件下跟网型并网控制的问题 >电网阻抗大幅波动，导致跟网型控制并网稳定性问题 电网电压前馈、PLL环节和电网阻抗的交互耦合都将对系统稳定性产生影响 20 (dB) 幅值 0 20 40 -605 随着电网阻抗增大，电流出现谐振现象！ 电网阻抗(p.u.) 0 102频率(rad/s) 104 基于电流源模式并网时的输出电流闭环传递函数Bode图 9 合肥工荣大学提纲 研究背景 传统跟网型并网稳定问题三、传统构网型并网稳定问题 四、新能源发电集群分布式稳定控制技术 五、小结 10 合肥工荣大学 3.传统构网型并网稳定问题 3.2高渗透条件下构网型并网控制的问题 1弱网下功率响应慢，难以准确实现最大功率点跟踪，经济性差 2）构网型控制按负载需求输出功率，和源侧的最大功率点跟踪需求相矛盾 3）电网阻抗大幅波动时，构网型逆变器在电网阻抗较小（强网）时容易发生振荡 4）多机之间的功率抗扰性变差、耦合变强 600 400 并网点电压/V 并网电流/A 200 -200 400 009 0.50.520.540.560.580.6 时间/s 强电网下构网型逆变器并网点电压和并网电流振荡现象 12 合肥工荣大学提纲 研究背景 传统跟网型并网稳定问题三、传统构网型并网稳定问题 四、新能源发电集群分布式稳定控制技术 五、小结 13 合肥工荣大學 问题的引出 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 逆变器即插即用特性：不同电源和负荷需要根据气象、经济、电网和用户需求等复杂工况灵活切入切出，且希望不影响系统的正常运行，即新能源设备期望具备即插即用的功能 PCC 新能源发电站公共耦合点 集中式电站 公共电网 PGUC 单元变压器 新能源发电站 站输电线新能源发电 PGUC POC 单PG元UC接入点电站变压器发电单元 PGUC 电站接入点 电POC接入点 接入点 PGUC PGUCPGUC 新能源新能源 并网逆变器并网逆变器 逆变器即插即用的特殊需求增加了运行控制的复杂性，无法提前确定其特性，具有 随机性。这将引发电网组成和架构实时变化，给逆变器控制性能带来挑战， 14 合肥工荣大学 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 即插即用带来的问题？ 不同于电网阻抗引起的宽频振荡特性，即插即用引起工作点非线性变化，体现为在原来的工作点并网电流不出现宽频振荡而在工作点变化后发生具备非线性频移特性的宽频振荡 #1Inverter#1,#2Inverter#1,#2and#3Inverter ConnectedtoPCCConnectedtoPCCConnectedtoPCC 20Oscillationfrequencyshowsasignificantdrift fromabout317Hzto283Hz 10 XXYXMA (10A/Div) #2inverter#3inverter 20 plug-and-playplug-and-play 即插即用引发具备非线性频移的宽频振荡现象 在工作点域范围内，传统P控制等线性方法通过合理设计P参数，可增强鲁棒性 但即插即用引发工作点出现非线性变化，会出现适应能力不足的问题 15 合肥工荣大学 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 为什么要研究非线性控制？ 并网逆变器本身是一个复杂的多输入多输出非线性系统，并且受到即插即用导致设备随机投切等因素的影响，电网特性呈现非线性变化 采用传统线性理论设计的跟网型或构网型控制旧难以适应 电网电压锁相 ticabeiLabeigabeWoabe 功率环：自同步 电网电压相位 abcecsM PLL PWMWaves Labc 8vsM PWM vsMabcDroop-Controlled PowerSynchronizationWaves 电压前馈 dqecsMdqdq ucak LaefPIdq Delay Link KrwM ckef X tica iLaluCref P Iddq PX iLa Delay Link KpwM abciCqrefPI/abc 基于线性PI控制器的跟网和构网型逆变器典型结构示意图 解决思路：直接采用非线性理论设计并网逆变器控制策略 16 合肥工荣大学 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 无源性理论解决上述问题提供一种可行的理论工具 无源性理论源自能量守恒原理：由于内部的能量耗散，一个无源 系统的零输入响应在Lyapunov意义下是稳定的。 无源性理论指出：由无源子系统任意并联形成的新系统也是无源 的，因而也是稳定的（保证了单机扩展到多机系统仍旧稳定）。 RandomInitial Pointu Supply Φ>0Dissipations 0>Φ Desiredcurve HpDissipations (a) Rpp<0 V3Pumping VaSupplyH 无源控制下的能量存储数H（×）耗散特性示意图 (b) 互联无源系统示意图 17 合肥工荣大学 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 如果要使得能量的最小点处为期望值可采用端口受控哈密顿方程(PCH)进行无源控制器设计：并通过选择哈密顿能量函数作为Lyapunov函数，能够直接证明系统稳定性。 并网逆变器无源控制结构无源控制器设计形式 LiLPCH方程： H(x) UdeX-(J-R+g(x)u ax 电网 采样x：状态变量 Pref Orefuo;iou：反映系统与外部能量交换的控制变量 无源 控制器 Xa 稳态工作点计算 Uodg iodg abeM：正定对角矩阵 J：系统内部互联结构的反对称矩阵（J=-JI） bpR：反映系统耗散特性的正定矩阵g:反映系统输入特性的矩阵 基于无源性理论的并网逆变器控制结构及控制器设计形式 18 合肥工荣大学 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 然而，作为一种基于模型的控制方案，无源控制器控制性能高 度依赖于控制模型的精度。逆变器即插即用会带来电网结构/ 参数变化，将会引起无源控制系统抗扰能力下降。 口思路引出 获取电网结构/参数变化引发的扰动： 采用传感器测量（增加成本，且难以直接获取扰动，仍需额外算法） ，是否可在通过引入非线性扰动观测器算法，来获取扰动补偿到无源控制器中，提 升系统抗扰能力？ 19 合肥工荣大學 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 采用非线性观测器，提出基于无源性理论的跟网型逆 变器分布式稳定控制策略，在即插即用情况下，系统保证具有优良的动稳态性能和抗扰能力。 Lme 采样 p基于PCHEmes 形式 的非线性 观测器id 无源控制器 O 辨识 电网阻 自适应动态阻尼协 同环路ra=f(L,) 基于无源性理论的跟网型逆变器分布式稳定控制示意图 20 合肥工荣大学 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 关键技术1（无源控制器环路设计）：该环路是整个控制策略的基础控制器，从能量的角度设计保证了系统的无源性，实现从单机扩展到多机时整个系统的无源性和稳定性。 x 非线性 观测器 采样环路p无源控制 x环路 阻尼动态ra 协同环路 基于无源性理论的跟网型逆变器分布式稳定控制简化示意图 21 合肥工荣大学 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 无源控制器的设计过程 从单机两相旋转坐标系的控制方程出发，建立以并网电感电流为控制对象的 PCH模型： c=[J(α)-R(α) aH (α)+gu(α)u+$s x表示状态变量矩阵，J(x)为互联矩阵，R(x)为耗散矩阵，H(x)为哈密顿函数，u为系统控 制律，gu(x)为输入矩阵，s为扰动矩阵 等效电网 iLabcL2PCCEgabe C. abLC湾 1并网端变器 交流侧 瓶开网逆变器 电流动态方程LC滤波器 dt Cded(us.)udc（idc一（maild十mgiL）交直流功率平衡方程 2dt 具有N台并联逆变器的多逆变器电站典型拓扑结构 22 合肥工业大学 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 无源控制器的设计过程 无源控制的目标：设计一个关于期望能量函数和耗散阻尼的闭环控制器。使得能量的最小点处为期望值。通过联立期望的闭环系统PCH方程求解无源控制律。 [Ja(α)-Ra(α)] aHa J(α)R(a) He (α)+β(α).u+g(α)·p 闭环系统的PCHD模型 互联矩阵耗散矩阵 开环系统的PCHD模型 控制量扰动矩阵 开环系统相关参数：闭环哈密顿函数： 0w/L07[r/L207Ha(α)=0.5(α-a)TQ(α-a)≥0 0 J(α):w/L00R(a)=0r/L20 0 000.0 期望的闭环系统： 「1/L0