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电动汽车驱动 构网型GFM ★ 5.0

基于小信号模型的构网型变流器并网系统虚拟参数稳定平衡点分析

Analysis of Stability Stationary Point for Virtual Parameters of Grid-Forming Converter Integrated Power Systems Based on Small-Signal Model

作者 Tianming Gu · Puyu Wang · Dengpan Sun · Jianyu Wang · Xinzhou Dong · Xiao-Ping Zhang
期刊 IEEE Transactions on Energy Conversion
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 电网形成型变流器 同步发电机 低频振荡 稳定性驻点 多机系统
语言:

中文摘要

在构网型(GFM)变流器的研究中,电网通常被假定为无穷大母线。然而,随着可再生能源的不断接入,以同步发电机(SG)为主导的实际电网的惯量和阻尼持续下降。大规模GFM变流器的接入不可避免地会与SG在低频振荡(LFO)模式下产生相互作用。本文首先建立了用于两机系统低频振荡分析的小信号模型。采用分类讨论的方法,推导了两机系统不同场景下低频振荡模式的主导极点和阻尼比的显式解析表达式,并取得了独特的研究成果:1)证明了GFM变流器虚拟阻尼/惯量存在稳定性最大/最小驻点,选取相应的参数会使系统稳定性达到最佳/最差。2)采用直接的数学方法证明了不同电网强度下GFM变流器对系统稳定性的影响。3)将理论分析拓展到广义多机系统。分析结果表明,在任意低频振荡模式下,任意GFM变流器的虚拟参数都存在稳定性驻点。最后,通过算例验证了分析的有效性。

English Abstract

The power grid is often assumed as an infinite bus in the research of grid-forming (GFM) converters. However, with increasing integration of renewable energy resources, the inertia and damping of actual power grids dominated by synchronous generators (SGs) are continually decreasing. The integration of large-scale GFM converters will inevitably interact with SGs in low-frequency oscillation (LFO) mode. In this paper, the small-signal model for LFO analysis of two-machine system is firstly established. The explicit analytical expressions for the dominant poles and damping ratio of LFO mode in different scenarios of two-machine system are derived using classified discussion approach with unique contributions obtained: 1) The existence of stability maximum/minimum stationary point for virtual damping/inertia of the GFM converter is proved, where the selected corresponding parameters will lead to the best/worst system stability. 2) The impact of the GFM converter on the system stability under different power grid strength is proved with a straightforward mathematical approach. 3) The theoretical analysis is extended to a generalized multi-machine system. The analytical results indicate that there exist stability stationary points for the virtual parameters of any GFM converter in any LFO mode. Finally, case studies are established to verify the validity of the analysis.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇论文揭示的构网型(GFM)变流器虚拟参数稳定性驻点问题,对我们在光伏逆变器和储能系统的技术迭代具有重要指导意义。

随着新能源渗透率提升,电网正从同步发电机主导向变流器主导转型。论文通过严格的数学推导证明了虚拟阻尼和虚拟惯量存在稳定性极值点,这为阳光电源优化GFM逆变器参数设计提供了理论依据。传统上,我们倾向于认为增大虚拟惯量总能改善系统稳定性,但该研究揭示存在"最优工作点"和"最差工作点",这意味着盲目增大参数可能适得其反。这一发现可直接应用于我们PowerTitan储能系统和SG250HX等大型逆变器的控制策略优化。

论文对不同电网强度下GFM变流器影响的量化分析,对阳光电源拓展弱电网市场尤为关键。在中亚、非洲等电网薄弱地区,精确的参数整定能显著提升系统可靠性,增强我们解决方案的竞争力。将分析扩展到多机系统的理论框架,也为我们设计大规模新能源基地的集群控制策略提供了数学工具。

技术挑战在于如何将理论成果工程化:需要开发实时参数自适应算法,根据电网状态动态调整虚拟参数至最优驻点附近。这要求在现有硬件平台上实现更复杂的在线计算和状态估计功能。机遇则体现在,掌握这一技术将使阳光电源在构网型逆变器领域建立差异化优势,特别是在高比例新能源并网和独立微网场景中形成技术壁垒,支撑"光储氢"一体化解决方案的系统级竞争力。