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构网型变流器的频域惯性设计
Frequency Domain Inertia Design of Grid-Forming Converters
| 作者 | Shan Jiang · Ye Zhu · Tianyi Xu · Xiongfei Wang · Georgios Konstantinou |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年2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 | 合成惯性 电网形成型变流器 惯性设计方法 频率响应 动态响应 |
语言:
中文摘要
虚拟惯量在构网型(GFM)变流器的频率响应中起着关键作用。较小的惯量系数在电网故障期间提供的惯量功率不足以抵抗频率变化。相比之下,较大的惯量系数可使GFM变流器模拟同步发电机的动态响应,但在极端频率事件(例如,频率从47 Hz扰动到52 Hz或相位跳变高达<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><tex-math notation="LaTeX">$60^\circ$</tex-math></inline-formula>)期间可能会影响电网同步。当具有电流限制功能的GFM变流器无法跟踪由功率同步环(PSL)控制的输出功率参考值时,就会出现这种情况。与使用固定惯量系数的传统惯量设计不同,本文提出了一种基于改进的分段式PSL的GFM变流器频域惯量设计方法。通过利用高频下垂功率分量和低频惯量功率分量之间的等效性,可将GFM变流器的等效惯量系数定义为一个传递函数,从而使惯量系数与频率相关,并在不同的频率范围内变化。所提出的惯量设计方案结合了传统低惯量和高惯量设计的优点,在低频范围内提供较大的惯量系数以减轻频率扰动,在高频范围内提供较小的惯量系数以促进功率和频率恢复。采用该设计的GFM变流器的动态响应通过实验得到了验证,并在随附的视频文件中展示了其在包括网络暂态(如电网相位跳变、电网电压骤降和频率偏移)以及功率阶跃变化和负载减小等运行事件在内的不同场景下的表现。
English Abstract
Synthetic inertia plays a pivotal role in the frequency response of grid-forming (GFM) converters. A small inertia factor provides insufficient inertia power to resist frequency variations during grid contingencies. By contrast, a large inertia factor allows GFM converters to mimic the dynamic response of synchronous generators but could compromise grid synchronization during extreme frequency events, e.g., frequency disturbances from 47 to 52 Hz or phase jumps up to 60^ . This happens when a current-limiting GFM converter fails to track a output power reference governed by the power synchronization loop (PSL). Unlike conventional inertia designs that use fixed inertia factors, this article proposes a frequency domain inertia design method for GFM converters based on a modified bandwise PSL. The equivalent inertia factor of GFM converters can be defined as a transfer function by leveraging the equivalence between the high-frequency droop power component and the low-frequency inertia power component, such that the inertia factor is frequency-dependent and varies across different frequency ranges. The proposed inertia design solution combines the advantages of conventional low- and high-inertia design, providing large inertia factor in low-frequency range to mitigate frequency disturbances and small inertia factor in high-frequency range to facilitate power and frequency recovery. The dynamic response of GFM converters adopting the proposed design is experimentally verified and also demonstrated in an accompanied video file under different scenarios including network transients, such as grid phase jumps, grid voltage sags and frequency excursions, as well as operational events of power step change and load reduction.
S
SunView 深度解读
从阳光电源构网型逆变器产品线角度分析,该论文提出的频域惯量设计方法具有重要的工程应用价值。随着新能源渗透率提升,构网型(GFM)变流器正成为我司光储一体化系统的核心技术方向,而合成惯量的优化设计直接关系到产品在弱电网和微电网场景下的稳定性表现。
该研究揭示了传统固定惯量设计的本质矛盾:小惯量系数无法提供足够的频率支撑,大惯量系数虽能模拟同步发电机特性,却在极端频率事件(47-52Hz扰动或60度相位跳变)中面临同步失稳风险。这与我司在高比例新能源并网项目中遇到的实际问题高度契合,特别是在澳洲、欧洲等要求强制惯量响应的市场。
论文提出的基于改进功率同步环路的频域惯量设计方案,通过将等效惯量定义为频率相关的传递函数,实现了低频段大惯量抑制频率波动、高频段小惯量加速功率恢复的自适应特性。这种设计理念可直接应用于我司PowerTitan储能系统和SG320HX等大功率逆变器的控制算法升级,显著提升电网适应性。
从技术成熟度看,该方法已完成实验验证并覆盖相位跳变、电压跌落等多种工况,具备较强的工程化基础。主要挑战在于带宽分段设计与实际电网阻抗特性的匹配,以及限流环节与功率同步环路的协调优化。建议我司研发团队重点关注该技术在构网型储能变流器中的参数整定方法,并结合数字孪生平台开展不同电网强度下的适应性测试,这将有力支撑我司在全球构网型解决方案市场的技术领先地位。