2024年含构网型与跟网型变换器的系统稳定性报告

The8thIEEEConferenceonEnergyInternetand EnergySystemIntegration(El2) 含构网型与跟网型变换器的系统稳定性 李奕瞳 西安交通大学电气工程学院 2024年12月2日 PEREO 电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学 PowerElectronics&RenewableEnergyCenter XIANJIAOTONGUNIVERSITY 研究背景 西安交通大学 XIANIAOTONGUNIVERSITY 煤炭能源和同步电机为主体高比例新能源和电力电子传统电力系统新型电力系统 2023年6月国家能源局《新型电力系统发展蓝皮书》 特点二：清洁低碳特点三：智慧融合特点四：柔性灵活 特点一：安全高效 构建新型电力系统是国家战略需求 安全高效是系统运行的基本前提稳定性 研究背景 西安交通大学3 KIANIIAOTONGUNIVERSITY 是否匹配 装备/设备属性电网需求 同步电机并网逆变器 转子 定子直流侧 开关桥臂 交流侧 本征物理行为：转子运动、绕组励磁控制定义行为：构网/跟网型，虚拟惯量/阻抗 解析标准模型：分类清晰、状态透明黑箱非标模型：因厂商而异，非标准，不公开 普适基础理论：功角摇摆、转矩系数案例化的理论：振荡模式混杂，缺乏普适理论 传统电力系统：和同步电机匹配的稳定运行方式 新型电力系统：设备属性vs电网需求？逆变器vs同步机？ 讨论：1以频率为例 西安交通大学 XIANIIAOTONGUNIVERSITY “技术优先”VS“管理优先”VS“经济优先”？ 机械惯量维持动态频率稳定 同步Pm电力 电机T系统 转子 方案A：逆变器提 供虚拟惯量？ 或 方案B：电网放宽 定子频率范围？ 频率稳定防止滑极/失步 惯量更小响应更快 两种方案会导致不同 电力的系统运行机制。 不仅仅是理论技术问 逆变器系统 直流侧开关桥肾交流侧 题，还会涉及到经济 可接受更宽范围频率变化标准、管理、运行、 保护等等... 目录 西安文通大学5 KIANIAOTONGUNIVERSITY （1）构网型与跟网型的对偶规律 （2）构网型变流器稳定控制设计 （3）构网型控制技术的应用拓展 4）含多变流器的电力系统稳定性 （5）稳定性分析软件与数值计算 目录西安交通大学6 （1）构网型与跟网型变流器的对偶规律 构网型与跟网型逆变器 西安文通大学 XIANIIAOTONGUNIVERSITY 跟网型与构网型逆变器是两种不同的控制方式。两者的动态特性和稳定性有 较大差异。但两者在控制架构上又有着相似之处 跟网型（grid-following） 电流控制（或功率控制） 锁相环PLLPCC 弱网不稳定 构网型（grid-forming） 电压控制 有功频率下垂/VSGPCC 电压/频率构建 Y.Li,Y.Gu,T.C.Green,"RevisitingGrid-FormingandGrid-FollowingInverters:ADualityTheory",IEEETransonPowerSystems,2o22 PIWM PLL 构网型-跟网型的对偶控制架构 西安交通大学8 XIANIIAOTONGUNIVERSITY 跟网型与构网型逆变器在控制架构上是对偶的： 电压-电流、有功-无功、d轴-q轴等。 Gp 跟网型：电压锁相环跟网型：无功频率下垂控制（或复功率） 3 Vabc abc dqGPLL 电压形式 电流环带宽内 Q正比于vq 等价 对偶 无功形式 Q=vq*id-vd*iqαvq 构网型：有功频率下垂控制构网型：电流锁相环 GFL wm 等价abc 0tabc Sdq 电压环带宽内 有功形式P正比于id 电流形式 P=vd*id+vq*iqαid Y.Li,Y.Gu,T.C.Green,"RevisitingGrid-FormingandGrid-FollowingInverters:ADualityTheory",IEEETransonPowerSystems,2022 失稳规律：跟网型 西安文通大学9 XIANIIAOTONGUNIVERSITY （电流环） 跟网型逆变器失稳情况弱电网 (电网阻抗大) 交互 作用 弱网失稳 低电流环带宽失稳 (nd) 3 pu 3 1.15 0.85 0 1.0002 0.9998 0 1.02 0.2 MM VStable Unstable 0.40.6 Time(s) 1mwit L 1.8Hz Stable Unstable 0.20.40.6 Time(s) WPLLIITIdm 低电流环高锁相环 带宽带宽 稳定 Y.Li,Y.Gu,T.C.Green,"RevisitingGrid-FormingandGrid-FollowingInverters:ADualityTheory",IEEETransonPowerSystems,2022 高锁相环带宽失稳 pu 3 0.98 0 0.2 UStable Unstable 0.40.6 Time(s)不稳定 电压跟随-电流构建 (PLL) ZgtZot 失稳规律：构网型 西安文通大学10 XIANJIAOTONGUNIVERSITY 电流跟随·电压构建 （P-W下垂）（电压环） 构网型逆变器失稳情况 强电网 (电网阻抗小） 强网失稳 (nd) 3 1.001 0.999 1.0001 Z.tZat 11.0Hz Stable Unstable 00.2 Time(s) 0.4 0.6 1am Wut 交互低电压环(nd) 作用带宽失稳3 0.99990 Unstable tabl 0.20.40.6 Time(s) 高下垂环pu 1.04 mtmt 带宽失稳3 18.7Hz Stable 0.96 带宽带宽 低电压环高下垂控制Unstable 0.20.40.6 Time(s) 稳定不稳定 Y.Li,Y.Gu,T.C.Green,"RevisitingGrid-FormingandGrid-FollowingInverters:ADualityTheory",IEEETransonPowerSystems,2o22 构网型与跟网型的对偶失稳规律 西安文通大学11 XIANJHIAOTONGUNIVERSITY 狭义的跟网型与构网型逆变器在并网稳定性角度是对偶的： 电流-电压、阻抗-导纳、弱网-强网等等。 跟网型逆变器失稳情况构网型逆变器失稳情况 弱电网强电网 （电网阻抗大）(电网阻抗小） 交互交互 作用对偶作用 低电流环高锁相环低电压环高下垂控制 带宽带宽带宽带宽 稳定不稳定 Y.Li,Y.Gu,T.C.Green,"RevisitingGrid-FormingandGrid-FollowingInverters:ADualityTheory",IEEETransonPowerSystems,2o22 目录 西安文通大学12 XIANRIAOTONGUNIVERSITY （2）构网型变流器稳定控制设计 阻抗电路模型 西安交通大学13 KIANIAOTONGUNIVERSITS 变流器的所有控制都可被视作是虚拟阻抗，因为控制改变的是变流器输出端口的电压-电流关系 - 例1：电流控制电压源例2：电压控制电流源 例3：更一般的情况，借助戴维南定理、诺顿定理、叠加定理等电路理论， 实现虚拟阻抗等效。 Y.Li,Y.Gu,Y.Zhu,A.J-F.,X.Xiang,T.C.Green,"ImpedanceCircuitModelofGrid-FormingInverter:VisualizingControlAlgorithmsas CircuitElements",IEEETransonPowerElectronics,2o2l 阻抗电路模型：：构网型稳定控制设计 西安交通大学14 XIANJIAOTONGUNIVERSITY 所有控制都可以被视作是虚拟阻抗每个控制参数对应一个虚拟阻抗电路元件 VSI构网型逆变器传统方案 LW丰 Power Calculator Z Ubbo+bis1+b2s?+..+bnsn AAAA4很长很复杂！依赖伯德图绘制等等.. PWM70 Tabc iidgVod CurrentVoltage ControllerController Vodg Droop Controller 同步阻抗电路模型 电流电压控制独立且离散的若干虚拟阻抗（感性、阻性、容 内环外环性等）串并联，美表征控制参数作用和交互影响 ZpliZcDiZFi'TS TejwrLZtine iodt Zparallel ZplvZn jwrCyZcDe Uodq+Ubdg+ Z Y.Li,Y.Gu,Y.Zhu,A.J-F.,X.Xiang,T.C.Green,"ImpedanceCircuitModelofGrid-FormingInverter:VisualizingControlAlgorithmsasCircuitElements",IEEETransonPowerElectronics,2021. 阻抗电路模型：构网型稳定控制设计 西安文通大学15 KIANIAOTONGUNIVERSITY 所有控制都可以视作是虚拟阻抗：逆变器控制会改变输出端口的电 压和电流的关系，每个控制参数对应一一个独立的虚拟阻抗元件。 jwrLZCDjwrL iodg+ ZFZpte WrC ZcDu Vodq+Ubdq+ 电流环PI控制器 kp是虚拟电阻，阻尼LCL谐振。 ki是虚拟电容，输出导纳为零，呈现理想电流源特性，消除电流环控制静差。空制参数设计+电路视角的物理解读 Y.Li,Y.Gu,Y.Zhu,A.J-F.,X.Xiang,T.C.Green,"ImpedanceCircuitModelofGrid-FormingInverter:VisualizingControlAlgorithmsasCircuitElements",IEEETransonPowerElectronics,2o2l. 阻抗电路模型：构网型稳定控制设计 西安文通大学16 KIANIIAOTONGUNIVERSITY 所有控制都可以视作是虚拟阻抗：逆变器控制会改变输出端口的电 压和电流的关系，每个控制参数对应一一个独立的虚拟阻抗元件。 ZPIBLjwrLfZCDjwrL iodqt Zparallel wrCZcDu Uodq+Ubdq+ 电压环PI控制器： kp是虚拟电阻，阻尼LCL谐振。 ki是虚拟电感，输出阻抗为零，呈现理想电压源特性，消除电压环控制静差。控制参数设计+电路视角的物理解读 Y.Li,Y.Gu,Y.Zhu,A.J-F.,X.Xiang,T.C.Green,“ImpedanceCircuitModelofGrid-FormingInverter:VisualizingControlAlgorithmsasCircuitElements",IEEETransonPowerElectronics,2o2l. 阻抗电路模型：构网型稳定控制设计 西安文通大学17 KIANIIAOTONGUNIVERSITY 所有控制都可以视作是虚拟阻抗：逆变器控制会改变输出端口的电 压和电流的关系，每个控制参数对应一一个独立的虚拟阻抗元件。 Zoute ZpljwrLfZCDjwrL iodg+ Zparallel jw.C ZcDu Uodq+Ubdq+ 电压或电流前馈控制 负的虚拟阻抗，抵消整个电压环或电流环的输出阻抗特性，使逆变器在电流环带宽内呈现出宽频域理想电流源特性。 在电压环带宽内呈现出宽频域理想电压源特性。 负阻抗特性易导致系统不稳定，因此实际中前馈系数通常小于1（如0.5或0.75） CircuitElements",IEEETransonPowerElectronics,2o2l. 阻抗电路模型：构网型稳定控制设计 西安文通大学18 KIANIIAOTON