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控制与算法 构网型GFM 下垂控制 多物理场耦合 ★ 5.0

基于有功功率前馈补偿的功率解耦方法在下垂控制变换器中的应用

An Active Power Feedforward Compensation-Based Power Decoupling Method for Droop Control Converters

作者 Pengcheng Wang · Min Chen · Jiahui Wang · Guannan Zhu · Feng Jiang
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 控制与算法
技术标签 构网型GFM 下垂控制 多物理场耦合
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 电网形成控制 功率解耦方法 分布式发电系统 功率耦合 有源功率前馈补偿
语言:

中文摘要

在构网型(GFM)控制中,有功功率和无功功率之间的固有耦合会降低无功功率控制精度、限制功率支撑能力并减缓动态过程。为解决这一问题,本文针对下垂控制变流器提出了一种基于有功功率前馈补偿的功率解耦方法,该方法可消除所有四个象限的功率耦合,尤其适用于运行模式灵活的分布式发电系统。利用小信号模型分析了物理功率耦合行为,确定线路阻抗比(R/X)和功率角是影响耦合特性的关键因素。通过比较耦合系数和变流器输出电压可知,可通过输出电压补偿实现功率解耦,这构成了所提方法的基础。通过精确计算补偿项,可在不影响响应速度的情况下消除所有四个象限的功率耦合,从而提高分布式发电系统中GFM变流器的控制性能和运行适应性。实验结果验证了所提解耦方法的有效性。

English Abstract

In grid-forming (GFM) control, the natural coupling between active and reactive power degrades reactive power control accuracy, limits power support capability, and slows down dynamic processes. To address this issue, this article proposes a power decoupling method based on active power feedforward compensation for droop control converters, which eliminates power coupling across all four quadrants and is particularly suited for distributed generation systems with flexible operating modes. The physical power coupling behaviors are analyzed using a small-signal model, which identifies the line impedance ratio (R/X) and power angle as key factors shaping the coupling characteristics. A comparison between the coupling coefficient and converter output voltage shows that power decoupling can be achieved through output voltage compensation, forming the basis of the proposed method. By precisely calculating the compensation term, power coupling is eliminated in all four quadrants without compromising response speed, thus enhancing the control performance and operational adaptability of GFM converters in distributed generation systems. Experimental results validate the effectiveness of the proposed decoupling approach.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于有功功率前馈补偿的功率解耦方法对我司构网型逆变器产品具有重要的技术价值。当前,随着新能源渗透率提升和弱电网场景增多,构网型(GFM)控制已成为光储系统的核心技术方向,而有功-无功功率耦合问题一直制约着系统的动态响应速度和四象限运行能力。

该技术通过精确计算输出电压补偿项,在不牺牲响应速度的前提下消除全象限功率耦合,这与我司在分布式光储系统中面临的实际挑战高度契合。特别是在户用储能、工商业微电网等应用场景中,系统需要频繁在整流/逆变、容性/感性等多种工作模式间切换,传统下垂控制的功率耦合会导致无功控制精度下降和功率支撑能力受限。该方法基于线路阻抗比和功率角的小信号分析,为解决这一问题提供了物理机制清晰的解决方案。

从技术成熟度评估,该方法已通过实验验证,理论基础扎实,具备较强的工程化可行性。对阳光电源而言,将此技术集成到现有的SG系列光伏逆变器和PowerTitan储能系统中,可显著提升产品在复杂电网环境下的适应性和控制性能,增强在高比例新能源接入场景的竞争优势。

潜在挑战在于实际电网中线路参数的实时辨识精度和计算复杂度控制。建议结合我司在AI算法和数字孪生方面的技术积累,开发自适应参数识别功能,并通过FPGA/DSP优化实现低延迟补偿。这项技术的产业化应用将为我司在全球构网型逆变器市场布局提供重要的差异化竞争力。