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控制与算法 构网型GFM ★ 5.0

资源感知的构网型同步控制:设计、分析与验证

Resource-Aware Grid-Forming Synchronization Control: Design, Analysis and Validation

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中文摘要

本文提出了一种适用于并网形成(GFM)模式下可再生能源发电的功率同步环方案,该方案考虑了直流侧连接资源的限制。在资源可能无法提供 GFM 结构所需交流电功率的情况下(例如资源不足),直流电压可能会降至令人担忧的低值,从而导致变流器可能停机。所提出的考虑资源的 GFM(RAGFM)方案能够在维持面向交流电网的 GFM 运行特性的同时调节直流母线电压。针对基于逆变器的电源(IBR)的两种运行模式对该控制方案进行了分析。第一种模式下,电源提供恒定功率;第二种模式则考虑电源以功率备用方式运行。所建议控制方案的不同增益的整定是基于变流器在不超出其设计限制的情况下所能模拟的最大虚拟惯量来确定的。此外,还将 RAGFM 与其他同步方法进行了对比评估,包括详细的动态分析。对不同的同步方法进行了理论和动态比较。最后,在实验装置中实现了 RAGFM 方案,并验证了其性能。

English Abstract

This paper presents a power-synchronization loop scheme for renewable power generation operated in Grid-Forming (GFM), which considers the DC-connected resource limitations. Under conditions where the resource might not be able to provide the Alternating Current (AC) power required by the GFM structure (e.g. lack of resource), the DC voltage might drop to concerning low values, leading to potential converter shutdowns. The proposed resource-aware GFM (RAGFM) is capable of regulating the DC bus while maintaining a GFM behaviour towards the AC network. The control is analyzed for the two operating modes of the inverter-based resources (IBRs).In the first, the resource provides constant power, whereas the second mode considers that the resource operates with a power reserve. The tuning of the different gains of the suggested control scheme is defined based on the maximum virtual inertia that the converter can emulate without exceeding its design limitations. In addition, RAGFM is benchmarked against other synchronization methods, including a detailed dynamic analysis. The different synchronization methods are analytically and dynamically compared. Finally, the RAGFM is implemented in an experimental set-up where its capabilities are verified.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项资源感知型构网控制技术对我司光伏逆变器和储能系统产品线具有重要战略意义。该技术针对新能源并网的核心痛点——直流侧资源波动与交流侧构网需求的矛盾,提出了兼顾DC母线稳定性与AC侧构网特性的协同控制方案,这与我司在高比例新能源并网场景下的技术需求高度契合。

从产品应用价值来看,RAGFM技术可显著提升我司光储一体化系统的电网适应性。在光照不足或储能SOC受限等资源受限工况下,传统构网型控制易导致直流母线电压跌落甚至系统停机,而该技术通过动态调节虚拟惯量和功率同步环路,能在维持构网功能的同时保障系统安全运行。这对我司在弱电网、海岛微网等复杂场景的解决方案具有直接赋能作用。

技术成熟度方面,论文提供了完整的理论分析、参数整定方法和实验验证,表明该技术已具备工程化基础。其基于最大虚拟惯量约束的增益整定策略具有较强的实用性,可与我司现有的构网型逆变器控制架构融合。但也需关注几个挑战:一是多机并联场景下的协调控制策略需进一步验证;二是在极端资源波动下的暂态性能边界需要大量现场数据支撑;三是与我司现有的有功-频率下垂、虚拟同步机等控制算法的兼容性需系统评估。

建议我司研发团队深入跟踪该技术方向,结合实际工程场景开展仿真对标和小批量试验,特别是在储能构网、光储柴微网等产品中探索应用可能性,以巩固我司在构网型技术领域的领先地位。