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系统并网技术 构网型GFM ★ 5.0

构网型逆变器中电压控制器影响下的低频振荡机理与抑制方法

Low-Frequency Oscillation Mechanism and Mitigation in Grid-Forming Inverters with Voltage Controller Effects

作者 Yi Xiao · Hao Luo · Yongheng Yang · Hao Ruan · Marta Molinas · Frede Blaabjerg
期刊 IEEE Transactions on Industry Applications
出版日期 2025年8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 电网构网控制 电压控制器 低频振荡 虚拟导纳控制 不对称阻尼控制
语言:

中文摘要

随着可再生能源大规模接入电网,构网型(GFM)控制在电网稳定性方面发挥着重要作用。在大多数构网型策略中,内部电压和电流控制对于阻抗重塑和限流至关重要。然而,电压控制器是一个潜在的限制因素,可能会引发低频振荡,如同步振荡(SO)和次同步振荡(SSO)。为了分析电压控制器(VCs)的影响,本文建立了一个统一的有功功率传输模型,为不同的电压控制器提供了一个直观的建模框架。然后,全面探究了矢量电压控制(VVC)和虚拟导纳控制(VAC)的动态特性。研究证实,由于其等效阻抗具有高通滤波器特性,矢量电压控制在强电网中会给次同步振荡带来显著风险,而虚拟导纳控制通过模拟电感来减轻低频振荡。然而,虚拟导纳控制会影响动态特性,并导致虚拟导纳两端出现稳态电压降。此外,本文提出了一种不对称阻尼方案,以抑制振荡并增强动态特性。实验测试验证了理论分析的正确性以及所提出的不对称阻尼控制的有效性。

English Abstract

The grid-forming (GFM) control plays an important role in grid stability with the large-scale integration of renewable energy sources. In most GFM strategies, the inner voltage and current controls are important for impedance-reshaping and current-limiting. However, the voltage controller is a limiting factor that potentially causes low-frequency oscillations, such as the synchronous oscillation (SO) and sub-synchronous oscillation (SSO). To analyze the effects of the voltage controllers (VCs), this paper develops a unified active power transfer model, providing an intuitive modeling framework for diverse VCs. Then, the dynamics of the vector voltage control (VVC) and virtual admittance control (VAC) are explored comprehensively. The exploration confirms that the VVC poses a significant risk to the SSO in stiff grids due to the high-pass filter characteristics of its equivalent impedance, and the VAC mitigates low-frequency oscillations by emulating an inductance. However, the VAC affects dynamics and results in a steady-state voltage drop across the virtual admittance. Furthermore, an asymmetrical damping scheme is proposed to suppress oscillations and enhance dynamics. Experimental tests validate the correctness of the theoretical analysis and the effectiveness of the proposed asymmetrical damping control.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于构网型逆变器低频振荡机理的研究具有重要的战略价值。随着我国"双碳"目标的推进和新能源渗透率的快速提升,构网型(GFM)逆变器正成为新一代光伏和储能系统的核心技术方向,直接关系到阳光电源在高比例新能源并网场景下的产品竞争力。

该论文揭示的电压控制器引发的同步振荡和次同步振荡问题,正是当前大型光伏电站和储能电站面临的实际工程挑战。论文提出的统一功率传输模型为我们优化逆变器控制策略提供了理论框架,特别是对矢量电压控制(VVC)和虚拟导纳控制(VAC)的深入分析,可直接应用于阳光电源的SG3400HV、SG5000HV等大型构网型逆变器产品的算法升级。研究指出VVC在强电网条件下存在次同步振荡风险,这与我们在西北地区特高压送出项目中观察到的现象高度吻合,而VAC通过模拟电感特性抑制振荡的方案具有较高的工程可行性。

论文提出的非对称阻尼控制方案尤为值得关注,它在抑制振荡的同时改善了动态响应,且经过实验验证,技术成熟度较高。这一方案可快速集成到阳光电源的PowerTitan储能系统和1500V光伏解决方案中,增强系统在弱电网和孤岛运行模式下的稳定性。

技术挑战在于如何平衡振荡抑制与电压调节性能,以及在多机并联场景下的协调控制。建议阳光电源组建专项团队,结合实际电网数据开展仿真验证,并在典型应用场景中进行中试,将这一前沿研究成果转化为市场领先优势。