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基于转矩分量量化的构网型光伏系统同步稳定性分析与增强
Analysis and Enhancement of Synchronization Stability in Grid-forming PV Systems Using Torque Component Quantification
| 作者 | Qiong Chen · Yajie Tang · Diyang Gong · Lei Lin · Qianqian Zeng · Xiaojie Shi |
| 期刊 | IEEE Transactions on Energy Conversion |
| 出版日期 | 2025年3月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 技术标签 | 构网型GFM |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 分布式光伏 电网形成控制 直流母线电压同步控制 低频振荡 转矩定向相位补偿器 |
语言:
中文摘要
摘要:随着分布式光伏的快速部署,电力系统的稳定性问题备受关注。作为一种解决方案,具备主动调节电压和频率功能的并网电压源控制(GFM)应运而生。在众多GFM方案中,直流母线电压同步控制因能够稳定光伏系统的直流母线电压,并利用其直流母线电容储存的能量模拟惯性支撑,而备受瞩目。然而,采用直流母线电压同步控制的光伏系统(PV - DVSC)在某些运行条件下可能会引发低频振荡(LFO)。为降低此类风险,本文利用转矩分量量化方法,研究低频振荡的机理及相应的抑制方法。首先,建立了PV - DVSC的转矩分析模型,从转矩矢量的角度阐明不同控制环节对低频振荡的影响。此外,通过阻尼转矩和同步转矩定量评估关键参数对低频振荡的影响。基于这些转矩,设计了一种面向转矩的相位补偿器(TOPC),旨在产生正转矩,即使在失步等极端情况下也能有效抑制不稳定的低频振荡。最后,通过仿真和硬件在环测试结果验证了上述分析和所提出的TOPC策略的有效性。
English Abstract
With the rapid deployment of distributed PVs, the stability issues become a serious concern for power systems. As a solution, the grid-forming control (GFM) featuring active regulation of voltage and frequency emerges. Among various GFM schemes, the DC-link voltage synchronous control has attracted tremendous attention as it can stabilize the DC-link voltage of PV systems and utilize the stored energy of their DC-link capacitors to mimic the inertia support. However, a PV system using the DC-link voltage synchronous control (PV-DVSC) can cause low-frequency oscillations (LFOs) under certain operating conditions. To mitigate such risks, this paper investigates the mechanism of LFO and associated suppression method, utilizing the torque component quantification. Firstly, a torque analysis model of the PV-DVSC is established to elucidate the contribution of different control loops on LFO from a torque vector perspective. Additionally, the impacts of key parameters on LFO are quantitatively assessed via the damping and synchronizing torques. Leveraging these torques, a torque-oriented phase compensator (TOPC) is designed, targeting a positive torque to effectively suppress the unstable LFO even under extreme conditions such as desynchronization. Finally, the validity of above analysis and proposed TOPC strategy are verified through simulation control-hardware-in-the-loop test results.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这篇论文所研究的构网型光伏系统同步稳定性技术具有重要的战略价值。随着分布式光伏大规模接入电网,传统跟网型控制已难以满足电网稳定性要求,构网型(GFM)控制作为新一代技术方向,能够主动调节电压和频率,这与我们在光伏逆变器领域的技术升级路径高度契合。
论文聚焦的直流母线电压同步控制(PV-DVSC)方案尤其值得关注。该方案通过利用直流侧电容储能模拟惯量支撑,既能稳定直流母线电压,又能提升系统惯性响应能力,这对我们的光伏储能一体化解决方案具有直接应用价值。然而,论文揭示的低频振荡(LFO)问题也是实际工程中的关键挑战,特别是在弱电网和极端工况下,系统可能出现失稳甚至失步现象。
论文提出的转矩分量量化分析方法为我们提供了新的技术视角。通过建立转矩分析模型,可以量化评估不同控制环路对系统稳定性的贡献,这种机理性分析对优化我们的逆变器控制算法具有指导意义。所提出的转矩导向相位补偿器(TOPC)策略,能在极端条件下有效抑制振荡,经过控制硬件在环测试验证,技术成熟度较高,具备工程化应用潜力。
从应用前景看,该技术可直接应用于我们的大功率光伏逆变器、储能变流器产品线,提升在高比例新能源场景下的并网适应性。技术挑战在于如何在保证稳定性的同时兼顾系统效率,以及在不同电网强度下的参数自适应调整。建议将该技术纳入我们构网型逆变器的研发路线图,结合实际项目开展验证测试。