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级联构网型变换器次同步振荡的分析与阻尼——考虑直流链动态
Analysis and Damping of Subsynchronous Oscillations for Cascaded Grid-Forming Converters Considering DC-Link Dynamics
| 作者 | Lingchao Kong · Haiguo Tang · Chao Wu · Jian Wang · Pan Wu · Yong Wang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年7月 |
| 技术分类 | 系统并网技术 |
| 技术标签 | 构网型GFM |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 并网换流器 直流母线动态 小信号稳定性 次同步振荡 阻尼方法 |
语言:
中文摘要
构网型(GFM)变流器因其电压支撑能力在可再生能源应用中受到了广泛关注。现有研究通常假设级联 GFM 变流器的直流母线电压恒定,这可能会在某些存在直流母线动态特性的情况下引发稳定性问题。因此,本文首先分析了考虑直流母线动态特性的 GFM 变流器的小信号稳定性。研究发现,由于直流母线电容的非最小相位特性,直流母线存在固有的不稳定风险,这可能会导致交流侧出现次同步振荡。为解决这一问题,通过比例控制器将直流母线动态特性引入有功和无功功率控制环。该方法不会增加控制器的阶数,且易于实现数字化。与仅将直流母线动态特性引入有功功率控制环的传统阻尼方法相比,所提方法能够抑制由直流电压波动引起的次同步振荡,并能提高交流侧的暂态响应性能。实验结果验证了小信号模型的正确性以及所提阻尼方法的有效性。
English Abstract
Grid-forming (GFM) converters have received much attention in renewable energy applications because of their voltage support capability. Existing studies generally assume constant dc-link voltage for cascaded GFM converters, which may lead to the stability challenges under some occasions with dc-link dynamics. Thus, this article first analyzes the small-signal stability of GFM converters considering dc-link dynamics. It is found that dc-link exhibits inherent instability risk due to the nonminimum phase characteristics of the dc-link capacitor, which may lead to subsynchronous oscillations on the ac side. To solve this issue, dc-link dynamics are introduced into both active and reactive power loops through proportional controllers. This method does not increase the order of the controller, and it is easy to implement digitally. Compared with the conventional damping method that only introduces dc-link dynamics into the active power loop, the proposed method can dampen the subsynchronous oscillations caused by dc voltage fluctuations, and it can enhance the transient response performances of ac side. The experimental results validate the correctness of the small-signal model and the effectiveness of the proposed damping method.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这篇论文聚焦的构网型(GFM)变流器次同步振荡问题具有重要的工程应用价值。随着我们在光伏逆变器和储能系统中大规模部署构网型控制技术以增强电网支撑能力,直流侧动态特性引发的稳定性问题正日益凸显,这直接关系到产品在弱电网和高比例新能源接入场景下的可靠运行。
该研究揭示了直流母线电容的非最小相位特性导致的固有不稳定风险,这与我们在实际项目中观察到的某些异常振荡现象高度吻合。传统分析往往假设直流电压恒定,但在储能系统频繁充放电、光伏功率波动以及多台逆变器级联运行时,这一假设并不成立。论文提出的将直流侧动态同时引入有功和无功功率环路的比例控制策略,相比传统仅作用于有功环路的方法,能更有效抑制次同步振荡,且实现简单、不增加控制器阶数,这对我们的数字化控制平台具有良好的兼容性。
从技术成熟度看,该方法已通过实验验证,可快速集成到现有SG3400/SG5000系列储能变流器和大型集中式光伏逆变器产品中。这将显著提升我们在构网型应用场景下的竞争优势,特别是在海外独立微网、工商业储能及电网侧储能项目中。技术挑战主要在于参数整定需考虑不同应用场景的直流侧配置差异,以及与现有虚拟同步机控制策略的协调优化。建议优先在新一代储能PCS平台上开展工程化验证,并建立涵盖不同直流电压等级和容量配比的稳定性数据库,以支撑产品系列化开发。