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系统并网技术 构网型GFM 调峰调频 ★ 5.0

单电压环PI控制构网型变流器的稳定性分析与谐波滤波增强

Stability Analysis and Harmonic Filtering Enhancement of Single-Voltage-Loop PI- Controlled Grid-Forming Converters

作者 Wenrui Li · Wenjia Si · Mowei Lu · Jingyang Fang
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年12月
技术分类 系统并网技术
技术标签 构网型GFM 调峰调频
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 电网形成变换器 单环电压控制 LLCL滤波器 开关谐波滤波 稳定性区域
语言:

中文摘要

由于具备交流电压形成和频率调节能力,电网形成型变流器(GFMCs)在电力电子领域保持着强劲的增长态势。与多环控制策略相比,单环电压控制具有传感器和控制器简单、动态响应迅速且无电压/电流控制相互作用等优点。然而,本文研究发现,采用单电压环比例 - 积分(PI)控制器的LCL滤波型GFMCs,为了在并网和孤岛场景下稳定运行,需要较高的谐振频率,而较小的滤波器尺寸会导致开关谐波滤波效果变差。因此,本文提出了一种针对GFMCs的开关谐波滤波增强策略,即采用LLCL滤波器,其LC陷波器在开关频率处形成串联谐振,从而实现更好的谐波衰减。通过这种方式,实现了LLCL滤波的单电压环PI控制GFMCs强大的开关谐波滤波能力。此外,本文还推导了相关的稳定区域。最后,仿真和实验结果验证了理论分析和开关谐波衰减能力。

English Abstract

Grid-forming converters (GFMCs) remain on a strong growth trajectory in the field of power electronics due to ac voltage formation and frequency regulation capabilities. Compared with multiloop control strategies, single-loop voltage control benefits from the simplicity of sensors and controllers, rapid dynamics, and no voltage/current control interaction. However, as revealed by this article, LCL-filtered GFMCs with single-voltage-loop proportional–integral (PI) controllers feature a high resonance frequency for stable operation in grid-tied and islanded scenarios, which deteriorates switching harmonic filtering due to the small filter size. As such, we propose a switching harmonic filtering enhancement strategy for GFMCs by the use of the LLCL filter, whose LC trap forms a serial resonance at the switching frequency and, thus, allows improved harmonic attenuation. In this way, we achieve strong switching harmonic filtering of LLCL-filtered single-voltage-loop PI-controlled GFMCs. Furthermore, this article derives relevant stability regions. Finally, simulation and experimental results verify the theoretical analysis and switching harmonic attenuation capability.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于单电压环PI控制构网型逆变器的研究具有重要的工程应用价值。构网型变流器(GFMC)技术是我司光储一体化系统和微电网解决方案的核心技术方向,其电压源特性能够为弱电网和离网场景提供稳定的频率和电压支撑,这与我司在高比例新能源接入场景下的战略布局高度契合。

该论文揭示的技术痛点与我司实际工程经验相符:单电压环控制虽然简化了传感器配置、降低了控制复杂度,但传统LCL滤波器在保证稳定性时需要较高的谐振频率,这导致滤波器体积增大、开关谐波抑制能力不足。论文提出的LLCL滤波拓扑通过在开关频率处形成串联谐振陷阱,在不牺牲系统稳定性的前提下显著增强了谐波抑制能力。这对我司产品具有三方面价值:一是可减小滤波器尺寸、降低系统成本和重量,这在大型地面电站和工商业储能项目中意义重大;二是改善电能质量,满足日益严格的并网标准;三是提升系统在弱电网下的适应性。

从技术成熟度评估,该方案基于成熟的PI控制和无源滤波技术,工程化难度相对可控。主要挑战在于LLCL滤波器参数设计需要兼顾多工况稳定域,以及LC陷波支路的温度漂移和参数容差控制。建议我司研发团队可将此技术纳入下一代构网型储能变流器的预研规划,特别是针对微电网和独立储能电站应用场景进行适配性开发,以巩固我司在新型电力系统技术领域的领先地位。