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基于无源性的构网型多逆变器电站稳定性控制
Passivity-Based Control for the Stability of Grid-Forming Multi-inverter Power Stations
| 作者 | Ming Li · Enjun Liu · Hua Geng · Yongtao Mao · Xing Wang · Xing Zhang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 控制与算法 |
| 技术标签 | 并网逆变器 构网型GFM |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 无源控制策略 并网逆变器 稳定性 动态性能 非线性扰动 |
语言:
中文摘要
现有并网逆变器在面对电网非线性变化时会遇到稳定性问题,当前的解决方案难以有效应对复杂的电网环境。我们提出一种基于无源性的控制策略,以提高构网型多逆变器电站的稳定性和动态性能,从而应对这些挑战。从能量重塑的角度设计的内环,确保了逆变器输出的稳定性。采用微分无源性设计的外环,显著增强了对扰动的响应能力,并在多台逆变器并联运行时无需通信即可确保功率分配和相位同步。非线性扰动观测器估计并网点的非线性扰动,并将此信息反馈到内环进行参数补偿。我们基于李雅普诺夫稳定性准则证明了整个控制器的无源性。这确保了电站内的逆变器能够在电网结构和参数的非线性及随机变化下稳定运行。最后,实验和仿真结果验证了所提出的方法能够确保逆变器在非线性和随机扰动下的稳定性,在无稳态误差运行的同时显著抑制振荡。这项工作为提高电站中逆变器的稳定性提供了一种可行的解决方案,有助于可再生能源的可靠接入。
English Abstract
Existing grid-connected inverters encounter stability issues when facing nonlinear changes in the grid, and current solutions struggle to manage complex grid environments effectively. We propose a passivity-based control strategy to enhance the stability and dynamic performance of grid-forming multi-inverter power stations and address these challenges. The inner loop designed from the perspective of energy reshaping, ensures the stability of the inverter’s output. The outer loop is designed with differential passivity, significantly enhances the responsiveness to disturbances, and ensures power sharing and phase synchronization without the need for communication when multiple inverters operate in parallel. The nonlinear disturbance observer estimates the nonlinear disturbances at the grid connection point and feeds this information into the inner loop for parameter compensation. We demonstrate the passivity of the overall controller with Lyapunov-based stability criteria. This ensures that the inverters within a power station can operate stably under nonlinear and random changes in grid structure and parameters. Finally, experimental and simulation results verify that the proposed method ensures inverter stability under nonlinear and random disturbances, significantly suppressing oscillations while maintaining operation without steady-state errors. This work provides a feasible solution for enhancing inverter stability in power stations, contributing to the reliable integration of renewable energy.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于无源性控制的构网型多逆变器协同控制技术具有重要的战略价值。随着我司在全球光伏逆变器和储能系统市场份额的持续扩大,大规模新能源电站面临的电网稳定性问题日益凸显,该技术为解决这一核心痛点提供了系统性方案。
该技术的核心创新在于三层协同控制架构:能量重塑的内环控制确保单机稳定性,微分无源性外环实现无通信条件下的功率分配和相位同步,非线性扰动观测器则增强对复杂电网环境的适应能力。这与我司当前推进的"1+X"模块化逆变器架构和多机并联技术路线高度契合,特别是在大型地面电站和工商业储能场景中,可显著降低通信系统依赖,提升系统可靠性和经济性。
从技术成熟度评估,基于李雅普诺夫稳定性理论的无源性控制已有坚实理论基础,论文提供的实验和仿真验证表明其工程可行性较高。对于阳光电源而言,该技术可直接应用于新一代SG350HX等大功率逆变器产品,以及PowerStack储能系统的多簇并联控制中,增强在弱电网和孤岛运行模式下的稳定性。
技术挑战主要集中在两方面:一是非线性扰动观测器在极端工况下的计算实时性和准确性需要深度优化;二是与现有MPPT算法、有功无功调度策略的融合需要系统级验证。但这同时也为我司在构网型逆变器领域建立技术壁垒提供了机遇,特别是在应对欧洲、澳洲等地区日益严格的电网规范方面,该技术可成为差异化竞争优势的关键支撑。