2024年含构网型与跟网型变换器的系统稳定性报告

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 2023年6月国家能源局《新型电力系统发展蓝皮书》 构建新型电力系统是国家战略需求 同步电机 并网逆变器 控制定义行为：构网/跟网型，虚拟惯量/阻抗 本征物理行为：转子运动、绕组励磁解析标准模型：分类清晰、状态透明普适基础理论：功角摇摆、转矩系数 黑箱非标模型：因厂商而异，非标准，不公开 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 “技术优先”VS“管理优先”VS“经济优先”？ 方案A：逆变器提供虚拟惯量？ 或 方案B：电网放宽频率范围？ 两种方案会导致不同的系统运行机制。 不仅仅是理论技术问题，还会涉及到经济标准、管理、运行、保护等等... （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 （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 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） 构网型（grid-forming） 构网型-跟网型的对偶控制架构 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。 失稳规律：跟网型 失稳规律：构网型 构网型与跟网型的对偶失稳规律 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。 目录 （2）构网型变流器稳定控制设计 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。 阻抗电路模型：：构网型稳定控制设计 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 阻抗电路模型：构网型稳定控制设计 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。 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 阻抗电路模型：构网型稳定控制设计 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。 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 阻抗电路模型：构网型稳定控制设计 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。 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） 阻抗电路模型：构网型稳定控制设计 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。 P-W和Q-V下垂控制： Q-V下垂控制是虚拟电感影响无功分配。P-W下垂控制是旋转的虚拟阻抗，影响有功分配和频率支撑能力，不直观，但在频谱上能看出来低频的功角摇摆模态。 阻抗电路模型：构网型稳定控制设计 各控制参数的功能归纳与总结： Y.Li,Y.Gu,Y.Zhu, A.J-F.,X.Xiang,T.C.Green,"ImpedanceCircuitModel of Grid-FormingInverter:Visualizing Control Algorithms asCircuitElements",IEEETransonPowerElectronics,2o2l （3）构网型控制技术的应用拓展 构网型+储能？ 隐含的要求：直流侧是理想的直流电压源 储能、新能源、SVg. hVdc.. 响应速度够快输出功率可调直流电压恒定 构网型的拓展 构网型技术中，构建电压和构建频率应是2个功能 （1）构建电压+构建频率 (2）只构建电压+不构建频率 构网型MPPT新能源：频率跟随+电压构建 构网型MPPT新能源可实现快速支撑电网电压同时跟随电网频率变化 实验室原理样机 C.Ai,Y.Li,J.Liu,AnExtensionofGrid-Forming:AFrequency-FollowingVoltage-Forminglnverter",IEEETransPowerElectronics,2o24 构网型MPPT新能源：频率跟随+电压构建 频率跟随-电压构建型控制思路：匹配控制、惯量同步控制等方法实现。 构网型储能VS构网型MPPT新能源 机侧功率控制与网侧频率控制是互斥的二者只能取舍权衡 控制方法可同时应用于柔直系统的送受两端换流站。构网能力在HVDC系统中实现传递。 构网型MMC-HVDC也可通过类似控制架构实现稳定控制。 可将储能嵌入MMC子模块实现储能的不平衡控制与能量管理。实现MMC的双端构网型控制。 （4）含多变流器的电力系统稳定性 阻抗传递函数法：多机系统建模 全系统阻抗模型（Whole-SystemlmpedanceModel）的对角线元素即为从多机多节点系统的对应节点看到的系统的阻抗传递函数 阻抗传递函数法：系统振荡原因潮源 Y.Zhu,Y.Gu,Y.Li,T.C.Green,"Impedance-based Root-CauseAnalysis:Comparative Study of ImpedanceModels and Calculation of EigenvalueSensitivity",IEEETransPowerSystems,2023 阻抗传递函数法：不同阻抗建模形式关系 各种形式的全系统阻抗模型是等价的。 阻抗传递函数法：小扰动动态稳定性提升 计算系统的阻抗稳定裕度对复杂系统进行宽频域的小扰动稳定性评估 阻抗稳定裕度评估系统稳定性并辨识关键节点，定向调节控制参数，提升电网小扰动动态稳定性。 阻抗传递函数法：电气、机械、其他 传递函数是基于端口动态的建模方法阻抗只是其中一种 同步转矩系数法：装备特性建模 找到设备复功率和复频率间的关系，以及设备的类功角摇摆方程 同步电机： 逆变器： 构网型： 跟网型： 对电网呈现电流/功率源特性，控制输出复功率和输出频率 对电网呈现电压源特性控制输出复功率和输出频率。 Y.Li,T.C.Green,Y.Gu,"TheIntrinsicCommunicationinPowerSystems:ANewPerspectivetoUnderstandSynchronizationStability",IEEETransCircuitsandSystems,2023. 同步转矩系数法：多机系统建模 系统同步稳定性关键参数：同步系数、同步阻尼、同步惯量与同步电机类似。 ·环路1：调制解调动态，同步系数 ·环路1和2受信道动态、系统频率、系统潮流影响。 环路2：信道频率动态，同步阻尼。 ·信道、设备动态（同步惯量）、信号类型。 同步转矩系数法：大扰动暂态稳定性提升 在关键节点加入构网型设备提升暂态稳定性 （5）稳定性分析软件与数值计算 稳定性分析工具 基于用户数据自动生成仿真模型，图形界面，电磁暂态仿真 适用场景 影响 系统规模：多机（100+节点）、交流-直流、同步机-逆变器分析尺度：稳态、小扰动、大扰动暂态交叉验证：传递函数、状态空间、时域仿真 使用单位：高校、设备企业、电网公司等应用推广：科研论文、行业标准、工程项目等开发团队：Github开源社区合作开发 数值计算：状态空间与隐式状态空间 状态空间： 以电感为例： 电路模型： di微分方程模型：dt 电流是状态 状态方程模型的缺点：状态只能是输出。因此，电流是输出，电压是输入。因此模型必须表达成导纳形式 [] i= [0] i+[1] u状态空间模型：i=[1]i+[0] u 数值计算：状态空间与隐式状态空间 隐式状态空间： 以电感为例： 电路模型： 微分方程模型： 状态空间模型： 导纳：电压输入、电流输出 Y.Li,T.C.Green,Y.Gu,"DescriptorStateSpaceModelingof PowerSystems",IEEETransPowerSystems,2023 数值计算：状态空间与隐式状态空间 相比于传递函数，状态空间拥有更好的数值精度、更快的计算速度、更多的分析手段 但如何用状态空间表征欠适系统lmproperSystem？ 案例：电感的状态空间建模 用隐式状态空间可以实现阻抗建模方式即输入输出调换，电流作为输入，电压作为输出。 电流只能是状态和输出，电压只是系统输入。即状态空间模型只能是导纳模型 应用场景：计算机实现大规模电气系统的状态空间建模 最终目标：提升数值计算与时域仿真的速度与精度 数值计算：坐标变换与离散化 计算机的时域仿真是离散化的z域系统。 交流电气系统常用的坐标变换，是否会影响离散化与数值计算精度？ ·推荐：对状态在其原始的坐标系进行离散化，再进行坐标变换和时域仿真。 ·传统：所有物理量都在dq坐标系下进行离散化。 结论：对电磁暂态时域仿真系统的动态特性（特别是高频动态特性）的保真度产生影响。采样频率较低或计算步长较大时（即对计算速度或系统规模有需求时），该误差会更加明显。 应用场景：计算机进行电气系统的电磁暂态时域仿真 最终自标：提升数值计算与时域仿真的速度与精度 非常感谢，请批评指正！