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系统并网技术 构网型GFM ★ 5.0

使用分数阶调节器的构网型电压源换流器主动阻尼

Active Damping of Grid-Forming Voltage-Source Converter Using Fractional-Order Regulators

作者 Yun Yu · Yajuan Guan · Wenfa Kang · Jingxuan Wu · Juan C. Vasquez · Josep M. Guerrero
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2025年1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 电网形成型变流器 有源阻尼控制 分数阶调节器 惯性响应 阻尼
语言:

中文摘要

为了在未来能源系统中可靠地整合基于电力电子技术的发电设备,电网形成(GFM)变流器已被广泛视为一种潜在的解决方案。然而,当作为通过有功功率调节实现同步的电压源运行时,GFM变流器的阻尼不足,特别是在引入虚拟惯量以提供频率支撑时。为解决这一问题,本文采用分数阶调节器开发了有源阻尼控制方案。与现有的可能显著改变用惯性常数量化的惯性响应的控制方法不同,所提出的控制方案旨在为功率设定点跟踪和外部干扰引入足够的阻尼,同时保持GFM变流器的惯性响应与惯性常数之间原有的明确关系。在此背景下,可同时实现由某些电网规范规定的惯性常数精确界定的理想惯性响应以及足够的阻尼。理论分析和实验结果均验证了所提出控制方案的有效性。

English Abstract

For a reliable integration of power-electronic-based generation in the future energy system, the grid-forming (GFM) converter has been extensively considered as a potential solution. However, while operating as a voltage source that is synchronized via active power regulation, the GFM converter exhibits insufficient damping, particularly when synthetic inertia is incorporated for frequency support. To address this concern, this article has developed active-damping control schemes using fractional-order regulators. Differing from the existing control approaches, which may significantly alter the inertial response quantified using an inertia constant, the proposed controls are developed to introduce adequate damping for both power set-point tracking and external disturbances, while maintaining the original explicit relationship between the GFM converter's inertial response and the inertia constant. In this context, a preferable inertial response, precisely defined by the inertia constant as specified by certain grid codes, along with adequate damping, is achieved simultaneously. The effectiveness of the proposed controls has been validated though both theoretical analyses and experimental results.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于分数阶调节器的构网型变流器主动阻尼技术具有重要的战略价值。随着新能源渗透率持续提升,构网型(GFM)控制已成为光伏逆变器和储能变流器技术演进的关键方向,这与我司在高比例新能源并网场景下的产品布局高度契合。

该技术的核心价值在于解决了构网型变流器在提供惯量支撑时阻尼不足的固有矛盾。传统方案往往需要在频率支撑能力和系统稳定性之间做出妥协,而分数阶控制器能够在保持惯量常数明确定义的前提下引入充分阻尼。这对我司储能系统产品尤为关键——既能满足电网规范对惯量响应的精确要求,又能确保功率跟踪和抗扰动的稳定性,这将显著提升产品在弱电网和微电网场景中的适应性。

从技术成熟度评估,论文已完成理论分析和实验验证,处于技术就绪度(TRL)5-6级阶段,具备向工程化转化的基础。对阳光电源而言,关键挑战在于分数阶算法的实时实现对DSP/FPGA计算资源的要求,以及与现有控制架构的融合。然而这也带来差异化竞争机遇:通过将该技术集成到PowerStack储能系统和SG阳光电源系列逆变器中,可强化产品在构网能力方面的技术领先性。

建议启动预研项目,重点关注算法优化、硬件适配和多机并联场景验证,特别是在独立微网和新型电力系统示范项目中开展应用试点,这将为我司在构网型技术标准制定中争取话语权奠定基础。