2024新能源发电集群分布式稳定控制技术研究报告

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 主持的科研项目 李明 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子研究课题和中国博士后科学基金面上项目等 副教授黄山学者学术骨干中国电源学会青年工作委员会常务委员清华大学博士后 教育和工作经历 合肥工业大学 曾获中国电源学会优秀博士学位论文奖、国际IEEEEcCEAsia会议最佳论文等奖、中国电机工程学会和中国电源学会学术年会优秀论文/最佳报告人奖、期刊优秀论文奖等荣誉、《全球能源互联网》担任国际会议SPIES2022出版主席等 导师：张兴教授（二级教授） 清华大学 博士后专业：控制科学与工程 导师：耿华教授（IEEEFelloW，长江学者） 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 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 1.研究背景 合肥工荣大学 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 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： 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 2、传统跟网型并网稳定问题 2.1为什么采用跟网型并网模式？ ·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 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 基于电流源模式并网时的输出电流闭环传递函数Bode图 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.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 强电网下构网型逆变器并网点电压和并网电流振荡现象 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 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 问题的引出 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 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， 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 合肥工荣大学 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 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 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 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 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）。 无源控制下的能量存储数H（×）耗散特性示意图 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 合肥工荣大学 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。 无源控制器设计形式 x：状态变量u：反映系统与外部能量交换的控制变量M：正定对角矩阵J：系统内部互联结构的反对称矩阵（J=-JI）R：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 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？ 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。 基于无源性理论的跟网型逆变器分布式稳定控制示意图 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 合肥工荣大学 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。 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 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： 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 具有N台并联逆变器的多逆变器电站典型拓扑结构 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。 开环系统相关参数： 闭环哈密顿函数： 期望的闭环系统： 期望的互联矩阵和阻尼矩阵为： 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 合肥工荣大學 关键技术2（非线性观测器环路设计）：该环路输出是即插即用带来的非线性扰动的估计值，输入到无源控制环路，这样可以提升逆变器的抗扰能力。 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 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 合肥工大学 所提适用于跟网型逆变器的非线性观测器基于统一PCH模型，实现了观测器和无源控制器相互融合设计，保证引入观测器之后的系统无源性和稳定性， 引入的虚拟等效电压源将逆变器即插即用等外界电网结构/参数变化引起的并网点电压变化反映到观测器输出中。 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 稳定性证明： 定义Lyapunov函数为观测器误差与无源控制环路的哈密顿能量函数之和并对其求导，可知系统满足Lyapunov稳定性判据。 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 结合非线性观测器后的无源控制律： 通过引入所提非线性观测器，可解得单机系统下的无源控制律。无源控制律的非线性通过状态变量的乘积体现在表达式中。 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 合肥工荣大学 关键技术3（阻尼动态协同环路）：单机扩展到多机时，该环路实现对系统级阻尼特性的协调控制，并将其输出作为无源控制环路输入，自适应地调整阻尼以保证系统良好的动态性能。 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 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 ■协作规则(指标)选取 所提自适应协同控制实施方法： 当电网阻抗波动时，每台逆变器将根据预先定义的非线性下垂曲线设置阻尼，以确保多逆变器设备无通信情况下的整体动态性能。 构建阻尼系数r与电网阻抗之间的关系（非线性下垂曲线）：r。=f(L。） 逆变器，包括设备的即插即用） 阻尼系数r，与电网阻抗之间的关系（非线性下垂曲线） 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 合肥工荣大学 实验结果（稳定性验证：非线性观测器+无源控制环路 高电网阻抗情况下，采用传统P控制时电网电流出现振荡，且伴随设备投切发生非线性频移。当采用所提出无源控制方案时，振荡现象消失，逆变器始终稳定运行。 实验结果：采用传统PI控制和所提无源控制的实验结果 4.新能源发电集群分布式稳定控制技术 合肥工业大学 实验结果动态性能验证：自适应动态阻尼环路 当采用传统的固定阻尼控制时，逆变器电流在阶跃时将出现欠阻尼振荡，动态性能不佳；当采用提出的自适应阻尼控制时，逆变器将根据电网阻抗值进行自适应调整阻尼，动态性能得到改善，欠阻尼振荡消失 在具有不同阻尼控制回路的双并联逆变器系统中，#1逆变器电网电流阶跃响应的实验波形 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 5.小结 口总结 1）在接入电网的高渗透率新能源发电末端弱电网中，跟网型控制技术经过改进，仍是经济性较好的主流并网控制方案 2）采用构网型控制技术可有效提升新能源场站系统弱网运行稳定性； 3）随着新能源渗透率的进一步提升，基于无源性的新能源集群分布式稳定控制技术将逐步提升占有率而发挥更大作用。 谢谢 Thanks