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基于下垂控制的构网型变换器非对称阻抗模型
Asymmetric Impedance Model for Grid-Forming Converters With Droop Control
| 作者 | Diego Pérez-Estévez · Diego Ríos-Castro · Pablo Marino Fernández-Abraldes · Vitor Monteiro · J. G. Pinto · João L. Afonso |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年4月 |
| 技术分类 | 控制与算法 |
| 技术标签 | 构网型GFM 下垂控制 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 下垂控制并网变换器 弱电网 阻抗模型 稳定性 频率耦合效应 |
语言:
中文摘要
本文介绍了一种连接到弱电网的采用下垂控制的构网型(GFM)变流器(下垂控制型GFM变流器)的阻抗模型。与传统的小环准则和广义奈奎斯特稳定性准则相比,所提出的模型为研究下垂控制型GFM变流器的稳定性提供了一种更准确、更简单的方法,因为该模型考虑了负载效应,且仅使用两个传递函数。该模型在 $\alpha \beta$ 坐标系下建立,仅由两个平衡阻抗组成,与 $dq$ 坐标系阻抗矩阵模型相比,能更清晰地对下垂控制引入的阻抗不对称性进行物理解释。该模型描述了全频率范围内的频率耦合效应(镜像频率问题),为这一现象提供了几何和物理层面的理解。它能够确定频率耦合区域的带宽,以及该区域如何随下垂系数和下垂控制型GFM变流器的负载条件而变化。通过在三种不同场景下对下垂控制型GFM变流器进行实验,验证了理论研究结果,这三种场景包括:弱电网运行、下垂系数变化以及电网阻抗变化。
English Abstract
This article introduces an impedance model for a grid-forming (GFM) converter with droop control (Droop-GFM converter) connected to a weak power grid. The proposed model offers a more accurate and simpler alternative to the conventional minor-loop criterion and the generalized Nyquist stability criterion for studying the stability of a Droop-GFM converter, as it accounts for loading effects and uses only two transfer functions. Formulated in the frame, the model consists of only two balanced impedances, offering a clearer physical interpretation of the impedance asymmetry introduced by droop control, in contrast to dq-frame impedance matrix models. The model describes frequency coupling effects (the mirror frequency problem) across the entire frequency range, providing both a geometric and physical understanding of this phenomenon. It allows determination of the bandwidth of the frequency coupling region, and how this region changes based on the droop coefficients and the loading condition of the Droop-GFM converter. The theoretical findings are validated experimentally using a Droop-GFM converter in three distinct scenarios, including: weak power grid operation, a change in the droop coefficients, and a change in the power grid impedance.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务实践来看,这项针对下垂控制构网型变流器的非对称阻抗模型研究具有重要的工程应用价值。随着我们在大型地面电站和微电网项目中大量部署构网型逆变器,弱电网稳定性问题已成为制约新能源高比例接入的关键瓶颈。
该研究提出的αβ坐标系阻抗模型相比传统dq坐标系矩阵模型更为简洁,仅需两个平衡阻抗即可描述系统特性,这对我们优化控制算法的计算复杂度具有直接意义。特别是在储能系统的多机并联场景中,模型的简化能显著降低实时稳定性评估的计算负担,提升系统响应速度。论文解决的镜像频率耦合问题,正是我们在西北、东北等弱电网地区项目中频繁遇到的次同步振荡根源,该模型能够量化频率耦合带宽与下垂系数、负载条件的关系,为参数整定提供了理论依据。
从技术成熟度看,研究已通过三种典型工况的实验验证,具备较好的工程化基础。对阳光电源而言,将该模型集成到我们的SG-POWR控制平台中,可增强弱电网适应性评估功能,这在当前"沙戈荒"大基地项目和海外高阻抗电网市场具有显著竞争优势。
技术挑战主要在于模型向多机系统的扩展以及与现有保护策略的协同。建议我们的中央研究院可与该研究团队建立合作,将理论成果转化为自适应下垂控制算法,并在1500V大功率逆变器和液冷储能系统上进行产品化验证,进一步巩固在构网型技术领域的领先地位。