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电动汽车驱动 构网型GFM ★ 5.0

构网型换流器的暂态功角与电压稳定性联合分析及增强

Joint Transient Angle and Voltage Stability Analysis and Enhancement of Grid-Forming Converters

作者 Wenjia Si · Wenrui Li · Nima Tashakor · Jingyang Fang
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2024年9月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 构网型GFM
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 电网形成换流器 暂态稳定性 平衡点 功率调节 仿真实验
语言:

中文摘要

作为多电力电子电源电力系统中的一项关键技术,构网型变流器正日益普及。然而,其在电网故障下的暂态行为尚未得到充分研究。特别是,现有文献仅分别研究暂态功角或电压稳定性问题,未考虑两者同时发生的情况。为填补这一研究空白,本文对暂态功角和电压稳定性问题进行了全面分析。首先,推导了平衡点的存在条件。然后,利用拉萨尔不变集定理揭示了稳定平衡点的吸引域。所推导的稳定条件可确保构网型变流器在暂态过程中安全运行。此外,研究发现有功功率削减和无功功率注入均能增强暂态功角和电压稳定性。然而,有功功率削减会恶化频率调节,而无功功率注入会增加变流器的电流应力。进一步地,为减轻这些负面影响,本文提出了一种有功 - 无功功率协同调节方法,以提高构网型变流器的暂态稳定性。最后,仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。

English Abstract

As an enabling technology in more-electronic power systems, grid-forming converters have been increasingly popular. However, their transient behavior under grid faults has not been fully explored. In particular, existing literature only investigates the transient angle or voltage stability problem separately, without considering the case where both events occur concurrently. To fill in the research gap, this article provides a comprehensive analysis of both transient angle and voltage stability problems. We first derive the existence condition for equilibrium points. Then, we disclose the attraction domain of the stable equilibrium point by use of the LaSalle invariant set theorem. The derived stable conditions can ensure the safe operation of grid-forming converters during transients. Moreover, we reveal that the active power reduction and reactive power injection both enhance transient angle and voltage stability. Nevertheless, the active power reduction deteriorates frequency regulation, while the reactive power injection increases converter current stresses. Further, to mitigate these negative effects, we propose an active and reactive power co-regulation method to enhance the transient stability of grid-forming converters. Finally, simulation and experimental results verify the theoretical analysis.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务布局来看,这项关于构网型变流器暂态稳定性的联合分析研究具有重要的战略价值。随着公司在光伏逆变器和储能系统领域向构网型技术转型,该论文提出的联合暂态角稳定和电压稳定分析方法直接切中当前技术痛点。

在技术价值层面,该研究首次系统性地分析了构网型变流器在电网故障时同时面临的角稳定和电压稳定问题,这对阳光电源开发高可靠性的大型储能系统和弱电网光伏解决方案至关重要。论文基于LaSalle不变集定理推导的稳定域条件,可为我司逆变器控制算法的优化提供理论依据,特别是在高比例新能源接入场景下提升系统抗扰动能力。

论文提出的有功-无功协同调控方法具有较高的工程应用价值。该方法在增强暂态稳定性的同时,平衡了频率调节性能和变流器电流应力,这与阳光电源追求的高效率、高可靠性产品理念高度契合。该技术可直接应用于我司1500V大功率逆变器和液冷储能系统的控制策略升级。

从技术成熟度评估,该研究已完成仿真和实验验证,处于工程化前期阶段。对阳光电源而言,主要挑战在于如何将理论成果转化为适应不同电网环境的自适应控制策略,以及在大规模储能电站的多机并联场景下验证其有效性。建议公司研发团队与学术机构建立合作,在澳洲、欧洲等弱电网市场的实际项目中开展技术验证,抢占构网型技术的市场先机,巩固在全球新能源变流器领域的技术领先地位。