构网型变流器：功能要求、稳定控制与继电保护适应性

主讲人介绍 王雄飞 清华大学兴华讲席教授，国家级高层次人才，IEEEFelloW清华大学电机系大容量电力电子与新型电力传输团队负责人客座教授，瑞典皇家理工学院，日立能源研发中心高被引学者，WebofScience，Clarivate;ScholarGPS主编，电力电子领域国际顶刊IEEETransactionsonPowerElectronics 从事电力电子与电力系统交叉领域的研究，主要方向涵盖电力电子变流器的建模与控制、新型电力系统动态稳定性、电能质量与谐波抑制、大容量电力电子技术等。曾主持政府科学基金项目、企业科技攻关与咨询项目逾40项，多项核心成果已在新能源场站、染性交直流输电装备、大规模独立运行电网及弱电网接入等关键应用场景成功落地，研发并商业化的电力电子装备阻抗测量与稳定性分析软件已被全球多家电网公司和高校采购使用。 现任IEEETransactionsonPowerElectronics主编、中国电机工程学会CSEEJournalofPowerandEnergySystems编委，IEEE电力电子学会电力电子化电力系统专委会主席、IEEE现代能源电网大容量电力电子国际技术路线图主席。先后获得IEEE/IET论文奖12项，2016年入选丹麦奥尔堡大学战略人才管理计划，2018年IEEE电力电子学会RichardM.Bass杰出青年电力电子工程师奖，2019年IEEE电力电子学会可再生能源系统技术成就奖，2022年日本IsaoTakahashi电力电子奖。 主讲人介绍 吴恒 东南大学上岗研究员/青年首席教接，博士生导师入选国家高层次青年人才计划（海外）五篇聚焦于构网技术的第一作者代表性论文总被引1500余次：担任两个聚焦构网型变流器的Cigre工作组JWGB4/C4.93、WGB4.101小组负责人：参与了英国电网、丹麦电网、芬兰电网构网型变流器标准起草或讨论 吴恒于2012年、2015年在南京航空航天大学分别获得电气工程专业工学学士和工学硕士学位：2015年至2017年任职于南京南瑞继保电气有限公司。2020年获丹麦奥尔堡大学能源技术专业工学博士学位。2020年至2025年于丹麦奥尔堡大学先后担任博士后研究员、助理教授，并担任电力电子化电力系统研究组负责人。在丹麦期间，曾赴沃旭能源、募尼黑国防军大学及瑞典皇家工学院进行短期学术交流。2025年9月加入东南大学，任上岗研究员、青年首席教授。 吴博士近年来主要从事构网型变流器的建模、稳定性分析、控制与继电保护等方面的研究。 讲座提纲 构网型变流器的概念与原理 构网能力要求与电网标准综述 大扰动下构网型变流器动态需求与稳定控制 四大扰动下构网型变流器测试方法 讲座提纲 构网型变流器的概念与原理 构网能力要求与电网标准综述 大扰动下构网型变流器动态需求与稳定控制 四大扰动下构网型变流器测试方法 构网变流技术的演变 构网变流器不是单纯的电力电子控制技术，更是新型电力系统安全稳定运行的内在需求 构网变流技术的演变 “构网”不是一个新概念 构网变流技术的演变 "构网"不是一个新概念 参考文献 [C1]H, Kunisch, K, G. Kramer and H, Dominik,Battery Energy Storgge Ancther-Option for Lod-Frequenoy-Controland Instantaneous Resorve, IEEE Trans, EnergyC.onV., vol. EC-1, no. 3, pp. 41-46, Sept. 1986,[C2]B. T, Ooi and X.Wang."Veltage angle lock loop centrol of the boost type PWM comverter for HVOC applicatien,AEEE Tiens. Power Eiectron., vol, 5, no. 2.pp. 229MCChnokDMinndRdeoroloferallelonncedinsinsdalCsuppyymsEEETsndpl.29,235,Aprl1990[C3]136-143, Jan.-Feb. 1993.[C4]E. V. Lanson and R. W.Dalmerico, Batery energy stomage power condicning system' Us Patert 57Be633, Aug. 25, 1898.[C5]H,Beck and R,Hesse,"Virtual synchronous me chine,' 2007 9fh (ntemationai Conference an Electfcar Pover Quailty and Utwsation,Barcelona,2007,pp.1-6.IsolJ.Driesen andKVisscher,Vitual symchronous generators,20o8EEEPowwr and EnegySociety Geerar Mfeeting-Conersion andDelveryorElectica/Energythe2fsrCentury,Pisburgh,PA,2008,pp.1-3.[C7]L, Zhang, L, Hamefors and H, Nee,"Pever-synchrorization cortrol of gric-connected voitags-souroe comverters,' EEE Tre/as. Power Syst,vol 25, no. 2, pp. 809-820,Msy 2010.[C8]Q. Zhong and G. Weiss, “Syrchronverters: imverters that mimic synchrcnous gonerators, IEEE Trans Ind. Electront, vol. 58, no. 4, pp. 1259-1267, Aprl 2011.(Ca)$. D'Arco and J. A. Sul, Virtual symchronous mechines Ciassfication ofimpiementations and analysis of equivalence to droop controllers for microgrids;' 2013IEEE Grenobie Conference, Grencble, 2013, pp, 1-7.[C10]B Johnson, M,Sinha, N. G. Ainsworth, F. Difler and S. V. Dhople, ynthesizing virtual osllators to ccnbol islanded imverters, EEE Trans, Power Electron,31, no, 8. pp.6002-6015, Aug 2016.[C11] Harnefors,J. Kukkola,M, Routimo,M. Hinkkanen and X. Wiang. A universe/cotrller for gridconectedvoltage-ource converters, EEEJeur.Emer. Se( ToPower Eiectron., vol. 9, no. 5, pp. 5761-5770, Oct. 2021, 构网型变流器的概念 MIGRATE项目关于构网的最初理念：刚性电压源 刚性电压源 时间尺度要求 “刷性电压源：其电压幅值与频率几乎不随负载电流变化而波动[1]” “在0到TGe（数秒）的时间范国内表现为电压源[1]” 在智态时间尺度内表现为电压源在Ter时段内，即电力系统必须依靠自身维持运行的时期在传统电网中，TG范围是1到10秒当限流时尽可能控制电压-即使是退化的电压源，也要保持并网 、保证构网型电源的互联稳定性应能在合理的时间窗内被其他电源快速测量，以实现准确估计许多设备（如跟网型变流器）是在假设电网电压对电流变化不敏感的前提下进行控制的要求电压具备刚性，以保障电能质量，预防闪变问题 构网型变流器的概念 同步电机Vs.构网型变流器 构建系统频率与电压 构建系统频率与电压 -在（次）暂态时间尺度内作为电压源[2]基于功率/电流实现自同步，无需外部频率测量-并非精确模拟同步机[1]，而是通过灵活控制提供更理想的特性·过载能力有限（其功率损耗密度比同步机绕组高30-130倍[3]] ·在数秒内维持电压源特性-同步由机电摆动方程决定，并与电磁暂态近似解耦-惯量、阻尼、调速器（下垂）、自动电压调节器（AVR）、电力系统稳定器（PSS）-极强的过载能力（1.5p.u.持续30秒：2-3p.u.持续数秒；3-10p.u.持续数十毫秒) 构网型变流器的概念 从最初的并网变流器出发 ·低频谐振与非最小相位·高度敏感的电流响应（谐波，故障等) 构网型变流器的概念 有功功率-频率（角度）响应 ·构网：“弹性”连接有功功率随频率/相角变化呈摆动/下垂式响应·跟网：“刚性”连接有功功率对频率/相角变化保持恒定响应 构网 (弹性) 构网型变流器的概念 跟网型变流器VS.构网型变流器 跟踪其他电源的频率 构建系统频率与电压 ·在（次）暂态时间尺度内呈现电流源-基于外部电压频率测量实现同步-能够支撑系统频率与电压，但依赖外部电压测量-电压刚性对控制稳定性与动态性能至关重要 -在（次)暂态时间尺度内作为电压源[1]-自同步，无需外部频率测量-能够自主且近乎瞬时地对系统频率与电压变化产生响应-电流刚性对控制稳定性与动态性能至关重要 构网型变流器的概念 跟网型变流器VS.构网型变流器 构网型变流器的概念 构网型变流器输出电流的快速（自然）响应 构网型变流器的概念 进一步对比：跟网型变流器vs.构网型变流器 构网型变流器的实现 构网型控制的通用架构 构网型变流器的实现 两种典型构网型控制架构 AVC:交通图线电压控载：DVC:直流导线电压控制PSC:基于功事的同步控射：RPC:无功助率控制 VOC：虚拟报滤器控制PCC:公共据合点 构网型变流器的实现 基于功率的同步控制 基于功率的同步控制(PSC) 一阶（下垂）同步动态比例控制器(下垂):C(s)=k。 。低通滤波器（“摆动”方程）·比例积分(PI)控制器超前-滞后补偿器 构网型变流器的实现 基于有功的同步控制 o3个控制参数，实现独立调节惯量，阻尼和下垂系数 构网型变流器的实现 基于电压和有功的混合同步控制 基本原理：通过获得内部频率与外部频率的差异来实现阻尼 混合同步控制(HSC)[3] 798833, Au8.25 1996Boringsystem'USPatert 2) S. DAcro, J. A Suul, and O. D Fesso,A vitual synchMay 2015.tistrbuted control ofpower5770, 0ct 202)olage-tuce corerters, IEEE Jor. Ener. Set Tg.Powe Eecroe, vol 9.pg. 57et 构网型变流器的实现 直流母线电压控制（DVC）的基本原理 (直流母线电容的有功功率平衡） (内在的有功功率-角度物理关系） 构网型变流器的实现 直流母线电压控制（DVC)：单环DVC（简单但不稳定） 单输入单输出小信号模型 ·双积分控制器直流母线的恒功率动态引入有功功率到直流母线电压之间的积分关系 ，右半平面极点2元：1.5~8Hz导致不稳定的低频振荡 构网型变流器的实现 混合同步控制+直流母线电压控制 构网型变流器的实现 混合同步控制