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风电变流技术 构网型GFM 弱电网并网 ★ 5.0

弱电网条件下近区构网型变流器的稳定性判据

Stability Criterion for Near-Area Grid-Forming Converters Under the Weak Grid Condition

作者 Peng Wang · Junpeng Ma · Rui Zhang · Shunliang Wang · Tianqi Liu · Yun Yang
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年9月
技术分类 风电变流技术
技术标签 构网型GFM 弱电网并网
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 电网构造型风力发电机 稳定性判据 共模与差模 系统稳定性 实验验证
语言:

中文摘要

本文引入了一种简化的稳定性判据,以系统地研究构网型风力发电机(GFM - WTG)之间,尤其是同一风电场内的相互作用机制。为了阐明在相同条件和控制器参数下运行的多个GFM - WTG之间的相互作用机制,本文提出了共模和差模电流、电压及阻抗的概念,这极大地简化了稳定性判据。由于忽略了基于GFM的永磁同步发电机机侧变流器的内部动态特性,因此可将GFM - WTG简化为基于GFM的电压源逆变器(GFM - VSI),且不失一般性。该稳定性判据揭示了共模和差模电流的特性,从而能够识别导致系统不稳定的主要因素。此外,还研究了GFM - VSI之间的连接强度以及控制器参数对系统稳定性的影响。基于两台并联GFM - VSI的硬件在环实验和物理实验均验证了所提出稳定性判据的有效性。

English Abstract

This article introduces a streamlined stability criterion to systematically examine the interaction mechanisms among grid-forming wind turbine generators (GFM-WTGs), particularly within the same wind farm. To elucidate the interaction mechanisms among multiple GFM-WTGs operating under identical conditions and controller parameters, the concepts of common-mode and differential-mode currents, voltages, and impedances, which significantly simplifies the stability criterion, are presented in this article. Since the internal dyanmics of the machine-side converter of GFM-based permanent magnet synchronous generator are disragraded, GFM-WTG is simplified as GFM-based voltage source inverter (GFM-VSI) without losing generality. The stability criterion reveals the characteristics of common-mode and differential-mode currents, allowing for the identification of the dominant factors contributing to system instability. Besides, the influence of connection strengths between GFM-VSI and controller parameters on system stability is examined. Both hardware-in-the-loop and physical experiments based on two paralleled GFM-VSIs validate the effectiveness of the proposed stability criterion.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇论文提出的构网型变流器稳定性判据具有重要的工程应用价值。随着公司在光伏、储能及风电领域的深度布局,构网型(Grid-Forming)技术已成为弱电网环境下保障系统稳定运行的核心解决方案。

该研究的核心贡献在于通过共模-差模分解方法,将多台构网型设备间复杂的交互机理简化为可量化的稳定性判据。这对阳光电源在大型新能源场站的系统集成中具有直接指导意义。当前公司在西北、东北等弱电网地区部署的集中式光伏电站和风储一体化项目,常面临多台逆变器并联运行时的振荡风险。该判据能够帮助工程团队在设计阶段预判系统稳定性,优化控制器参数配置,减少现场调试周期。

从技术成熟度角度,论文已通过硬件在环和物理实验验证,表明理论框架具备工程化基础。对于阳光电源而言,关键机遇在于将此判据集成到现有的SG-CLOUD智慧能源管理平台中,开发自动化的稳定性评估工具,提升系统设计效率。同时,该方法对储能变流器的并网控制策略优化同样适用,可增强公司PowerTitan等储能产品在弱电网场景下的竞争力。

技术挑战主要体现在两方面:一是需要将理论模型与公司多样化的产品拓扑(如1500V系统、模块化多电平拓扑)进行适配验证;二是差模振荡的抑制可能需要在现有控制器中增加额外的阻尼控制环节,需权衡控制复杂度与成本。建议公司研发团队深入跟进该技术方向,结合实际项目数据开展联合研究,加速构网型技术的产品化进程。