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全状态反馈功率解耦控制用于提升稳定性和惯性响应的构网型变换器
Full-State Feedback Power Decoupling Control for Grid Forming Converter With Improved Stability and Inertia Response
| 作者 | Yanjun Tian · Xiaoqi Xu · Yi Wang · Zhen Li · Zhen Zhang · Yuhua Gao |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年10月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | 构网型GFM 虚拟同步机VSG 地面光伏电站 多物理场耦合 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 虚拟同步发电机 功率耦合 全状态反馈控制 功率解耦 系统稳定性 |
语言:
中文摘要
摘要:在可再生能源高渗透率的情况下,虚拟同步发电机(VSG)控制策略已在用于支撑大电网惯量的构网型变流器中得到广泛研究与应用。传统VSG控制存在有功和无功功率回路之间的耦合问题,尤其是在低压阻性馈线条件下。这种功率耦合效应不仅会降低暂态过程中惯量支撑的有效性,还会影响系统稳定性。本文分析了有功和无功功率回路之间的耦合机制,并提出一种全状态反馈控制方法来解决传统VSG控制中的耦合问题。在所提出的控制方法中,设计了状态反馈矩阵以消除有功和无功功率控制回路之间的功率耦合,并充分保留有功和无功惯量响应能力。采用扰动注入法以避免对线路参数的依赖。根轨迹分析表明,解耦功率控制使系统具有更好的稳定性和阻尼性能。硬件实验结果表明,功率解耦型VSG显著缓解了有功和无功功率之间的耦合,有助于提高系统稳定性,并为电网提供更好的暂态功率惯量响应。
English Abstract
Virtual synchronous generator (VSG) control strategies have been widely researched and applied in grid-forming converters for utility grid inertia support under high level penetrations of renewable energies. Traditional VSG control encounters coupling issues between active and reactive power loops, especially in low voltage resistive feeder line conditions. This power coupling effect degrades not only the effectiveness of inertia support during transients, but also the system stability. In this article, the coupling mechanism between active and reactive power loops is analyzed and a full-state feedback control method is proposed to release the coupling issue in traditional VSG control. In the proposed control, the state feedback matrix is designed to eliminate the power coupling between active and reactive power control loops, and fully retain the capability for active and reactive inertia response. Disturbance injection is applied to avoid dependence on line parameters. Root locus analysis shows that the decoupled power control endows system with better stability and damping performance. Hardware experimental results indicate that the power decoupling VSG significantly releases the coupling between active and reactive power, contributing to better system stability and providing improved transient power inertia response to power grid.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项全状态反馈功率解耦控制技术对我们的构网型逆变器产品线具有重要战略价值。随着新能源渗透率持续攀升,电网对逆变器提供惯量支撑的需求日益迫切,而传统虚拟同步发电机(VSG)控制在低压阻性线路场景下存在的有功-无功功率耦合问题,恰恰是制约我们光伏逆变器和储能系统性能提升的关键瓶颈。
该技术的核心价值在于通过状态反馈矩阵设计实现功率解耦,同时保留有功和无功惯量响应能力。这对阳光电源的实际应用场景意义重大:在工商业分布式光伏和户用储能系统中,配电线路往往呈现较强阻性特征,功率耦合会导致系统稳定性下降和惯量支撑效果劣化。采用该技术可显著改善我们构网型储能变流器的动态响应性能,提升在弱电网环境下的并网稳定性,这对拓展海外市场尤为关键。
从技术成熟度评估,论文已通过硬件实验验证,且扰动注入法避免了对线路参数的依赖,降低了工程实施难度,具备较强的产品化可行性。根轨迹分析表明该方案能改善系统阻尼特性,这与我们在大型储能电站项目中遇到的振荡抑制需求高度契合。
技术挑战主要在于全状态反馈控制器的参数整定复杂度较高,需要结合阳光电源现有的控制平台进行算法优化和计算资源评估。建议将该技术优先应用于新一代构网型储能变流器,通过示范项目积累工程经验,逐步形成差异化竞争优势,强化我们在构网型新能源装备领域的技术领先地位。