提升主动支撑电网能力的构网控制技术

汇报人：熊小玲华北电力大学2025年8月8日 研究背景 口“双高”新型电力系统面临支撑能力不足的挑战 》为满足双碳目标，需要构建含高比例新能源和高比例电力电子装备的新型电力系统 >新型电力系统的“双高”特性引发新问题：变流器缺乏旋转备用容量和转动惯量，不能提供与传统同步发电机类似的惯性响应：系统电压源不足，无法有效支撑电网 研究背景 口电力系统的发展变化趋势高比例电力电子化 主要装备的转变 电力电子变流器的特点 同步发电机的特点 ●一般对外呈现电流源特征（控制主导）·不具有标准变流器模型，时间尺度混叠输出频率由控制决定，不具备惯量支撑暂态过流能力弱 对外呈现电压源特征（物理主导）·具有标准发电机模型，时间尺度清晰●转速与频率对应，惯量支撑·暂态过流能力强 如何认识和定义构网换流器 口目前，学术界和工业界尚未对构网的定义和认识形成统一标准，构网控制框架呈现出复杂多样的局面 下重控制 同步变流器控制 虚拟扳荡器控制 二如何认识和定义构网换流器 *尽管目前风光储柔直以及SVG都在做构网，但是从能量源的角度来说，储能构网或者系统配储配合构网是最合适的另外的构网型设备都只有局部支撑特性。5/29 三、构网变流器的关键问题 口电压源逆变器采用V/f控制就是电压源特征，为什么这么火？还有什么潜在的问题呢？ 口注意：逆变器需要考虑功率约束和过流能力，电网、负载不确定的情况下V/f控制容易过流跳机。 ①并离网切换，负载不确定 电网故障（幅值频率相位） 注：构造一个电压源不难，难的是如何构造一个考虑功率电流约束且适应多重不确定性的同步电压源。 宽范围SCR问题（并网稳态运行）并离网切换问题（并网离网适应性）大扰动暂态问题（功角、限流问题） 三、构网变流器的关键问题w 三、构网变流器的关键问题 口暂态功角同步问题（包括启动阶段） 如何研制出兼顾限流能力的具备宽范围SCR适应性以及并离网切换的构网变流器控制框架？ 四、小信号稳定性问题--同步频率振荡风险分析 4.1基于功率同步的构网换流器同步频率振荡（SFR）风险分析 同步频率振荡机理：R。/X.太小或者存在非最小相位效应 口经典奈奎斯特稳定性判据： 四、小信号稳定性问题---同步频率振荡风险分析 4.1基于功率同步的构网换流器同步频率振荡（SFR）风险分析 致稳策略一：提出了一种基于共钜极点相消的SFR抑制策略 实现：通过在功率控制环中引入一对辅助支路消除靠近虚轴的共轭极点，进而抑制SFR，提升系统小信号稳定性： 四、小信号稳定性问题--同步频率振荡风险分析 4.1基于功率同步的构网换流器同步频率振荡（SFR）风险分析 致稳策略二：提出了一种基于陷波器的SFR抑制策略：具体控制实现：通过在功率控制环中分别引入陷波器滤除功率环中同步频率附近的信号，进而抑制SFR，提升系统小信号稳定性与引入一阶低通滤波器（等效VSG控制）对比，体现了所提致稳策略的优越性实验与理论分析结果很好地对应，验证了所提方法的有效性 四、小信号稳定性问题--同步频率振荡风险分析 4.2基于直流电压同步的构网换流器同步频率振荡风险分析 基于直流电压同步的构网换流器采用有功前馈策略增强阻尼时，存在同步频率振荡风险；为了揭示其阻尼形成机理，建立考虑有功功率控制和无功功率控制相互耦合的构网型换流器频域小信号模型； 四、小信号稳定性问题---同步频率振荡风险分析 4.2基于直流电压同步的构网换流器同步频率振荡风险分析 前馈系数kn增加，同步频率附近一对极点移动至复平面的右半平面 kpp=0.1p.u.时，主导极点频率为53Hz，有功前馈回路贡献正阻尼，kpp=0.3p.u.时，主导极点频率为55.5Hz，有功前馈回路贡献负阻尼：阻尼形成机理：同步频率附近引入负阻尼功率分量，系统等效阻尼为负。 特征根分析 四、小信号稳定性问题---同步频率振荡风险分析 4.2基于直流电压同步的构网换流器同步频率振荡风险分析 致稳策略：提出了一种串联低通滤波器（LowPassFilter，LPF)的阻尼增强策略： 实现：通过在有功前馈支路中引入低通滤波器削弱同步频率处负阻尼特性的影响，进而抑制同步频率振荡风险，提升系统小信号稳定性：仿真与理论分析结果很好地对应，验证了所提方法的有效性。 四、1小信号稳定性问题--次同步振荡风险分析 4.3基于功率同步的构网换流器次同步振荡风险分析 研究指出[1]，引入一个额外的锁相环（PLL）从而检测电网频率前馈，代替基频常量，使阻尼水平提升不受下垂特性的约束，相当于只在暂态时提供阻尼； 引入的锁相环也会对VSG特性产生影响 四、小信号稳定性问题--次同步振荡风险分析 4.3基于功率同步的构网换流器次同步振荡风险分析 不考虑内环：建立了状态空间模型，表明PLL的引入为系统带来一对新的极点，只有在PLL带宽极小时对系统原来阻尼不影响，如2rad/s 随着PLL带宽的增加，有减小系统阻尼的风险，与加入PLL检测频率前馈来增加系统的阻尼初衷相悸 四、小信号稳定性问题--次同步振荡风险分析 4.3基于功率同步的构网换流器次同步振荡风险分析 考虑内环：建立了引入PLL后的VSG全阶阻抗模型，扫频结果验证了理论建模的有效性。依据其阻抗特性，采用阻抗分析法分析VSG的小信号稳定性及其振荡风险的失稳机理。 四、小信号稳定性问题---次同步振荡风险分析 4.4基于功率同步的构网换流器次同步振荡风险分析 致稳策略：基于复转矩模型，构造一个附加阻尼转矩，使其始终提供正阻尼效应 实现：通过在功率控制环中引入辅助支路增大系统阻尼比，从而优化阻尼设计，提升系统的小信号稳定性： 四、小信号稳定性问题--次同步振荡风险分析 4.5基于直流电压同步的构网换流器次同步振荡风险分析 致稳策略：基于有功幅相分析模型，构造一个附加阻尼功率分量，使其始终提供正阻尼效应：实现：通过在直流电压控制环中引入阻尼支路，从而优化阻尼设计，提升系统的小信号稳定性 无功前馈阻尼增强策路 有功幅相分析 五、构网变流器暂态问题 五、构网变流器暂态问题 口构网型全阶段暂态稳定性问题：故障后失稳未得到充分研究 五、构网变流器暂态问题 在电压跌落20%的情况下基本相等电压跌落40%的情况下出现较大误差电压跌落44%的情况下两者判定结果不一致 口电网压降较大（扰动较大时），线性化的模型会出现错误判定结果，需要采用非线性化模型。 1.线性化模型2.非线性模型 定性分析，例如：超调量和阻尼比 口暂态阻尼增加策略以提高构网换流器的暂态稳定性 D,+K,(1）改进后系统(a)中的阻尼比为2JJG, （a）有功控制环增加暂态阻尼略 （2）改进后系统（b）中的阻尼比为 （b）无功控制环阻尼增加策略 口通过增加暂态阻尼可以提升暂态稳定性（增加K，和K，引入较大的阻尼比因此功角超调量可以显著下降.） （a）附加限流环节的构网VSC主电路及控制拓扑 口电压暂降后电流限幅环节导致VSC输出功率受限，实际输出功率与功率定值不匹配，导致系统暂态失稳。 五、构网变流器暂态问题 口提出了一种新型构网控制策略及暂态功率优化方案，提升了系统的暂态稳定性并可在功率及电流约束下提供最大的暂态电压支撑。26/29 五、构网变流器暂态问题 口虚拟阻抗、线路阻抗的影响分析 阻抗参数会影响GFM的稳定性裕度，稳定平衡点，从而影响暂态稳定性 六、相关项目和成果 口相关项目 1.熊小玲.国家自然科学基金面上项目，52277176,适应高比例新能源电网的构网型换流器暂态稳定机理与镇定方法研究，2024.01-2027.12.赵成勇，国家自然科学基金联合基金项目，U23B20119，主动支撑电网频率的远海风电经IGCT型电流源换流器送出系统研究，2024.01-2027.123.国网北电力有限公司电力科学研究院，弱电网接入下电压源型SVG支撑机理与暂稳态主动支撑控制技术，2024.11-2025.12，178.8万元。4.国网总部科技项目，高压大容量柔性直流支撑系统能力提升关键技术研究，2023.10-2026.3，90万元，主持台达电力电子科教发展计划，青年项目，DREG2023009，适应高比例新能源电网的并网换流器构网控制和稳定性研究，2023.08-2025.5。口相关成果 [1] Xiaoling Xiong, Yan. Zhou, Bochen, Luo, Peng. Cheng and Frede Blaabjerg, "Analysis and Suppression Strategy of Synchronous Frequency Resonance forGrid-Connected Converters With Power-Synchronous Control Method," IEEE Trans. on Power Electron. , 2023, 38(6): 6945-6955.(SCI—[区) [2]照小玲，李昕悦，周璜，罗博晨，基于陷波器的构网型换流器同步频率谐振抑制策略[J/0OL].电工技术学报,1-13[2023-11-21]https:/doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230526 [3] Xiaoling Xiong, Xinyue. Li , Bochen. Luo, Meng, Huang and Frede Blaabjerg, "An Additional Damping Torque Method for Low-Frequency StabilityEnhancement of Virtual Synchronous Generators,~ TEEE Trans. on Power Electron., 2024, 39(12): 15858-15869. [4]熊小玲，李吕盛，李航，罗博总基于直流电压同步的构网型换流器低频阻尼增强策略[].中国电机工程学报，2025，（已承用】 [5] Xiaoling Xiong, Chao Wu, and Frede Blaabjerg, Effects of Virtual Resistance on Transient Stability of Virtual Synchronous Generators under Grid VoltageSag, IEEE Transacrions on Industrial Electronics, 2022, 69(5):4754-4764. (SCI—区) Enhancement, IEEE Trasacfions on Power Electrorics, 2021, 36(10): 11026-11030(SCI区) 谢谢！