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构网型变流器中多模态低频振荡的相互阻尼排斥机制研究

Research on the Mutual Damping Repulsion Mechanism of Multi-Modal Low-Frequency Oscillations in Grid-Forming Converter

作者 Letian Wang · Shiyun Xu · Huadong Sun · Jingtian Bi · Peng Han
期刊 IEEE Transactions on Power Systems
出版日期 2025年7月
技术分类 控制与算法
技术标签 构网型GFM 虚拟同步机VSG 多物理场耦合
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 虚拟同步发电机 低频振荡 阻尼排斥效应 同步环 直流电压控制环
语言:

中文摘要

虚拟同步发电机(VSG)控制的电网形成型变流器(GFM)的同步环(SC)与直流电压控制环(DVC)之间的耦合容易引发多模态低频振荡(LFO)。这些多模态振荡包括以SC为主导的低频振荡(SC - LFO)和以DVC为主导的低频振荡(DVC - LFO)。本文研究了多模态低频振荡的互阻尼排斥效应,并通过频域中的阻尼转矩法揭示了此类现象背后的机理。理论分析发现,随着SC和DVC的自阻尼水平提高,它们会相互施加逐渐增大的负阻尼转矩。这种相互作用导致在调节SC或DVC动态特性时,SC - LFO和DVC - LFO的阻尼调节呈反向变化,最终引发互排斥现象。此外,已证明SC中的虚拟阻尼并非对GFM变流器的低频振荡稳定都普遍有效。增加虚拟阻尼可确保SC - LFO的稳定性,但由于互排斥效应,可能会导致DVC - LFO不稳定。最后,特征值分析和时域分析均验证了理论分析结果。

English Abstract

The coupling between the synchronization loop (SC) and DC voltage control loop (DVC) of a virtual synchronous generator (VSG) controlled grid-forming converter (GFM) is prone to cause multi-modal low-frequency oscillations (LFO). These multi-modal oscillations consist of SC dominant LFO (SC- LFO) and DVC dominant LFO (DVC-LFO). In this paper, we investigate the mutual damping repulsion effect of multi-modal LFOs and reveal the mechanisms behind such phenomena by means of the damping torque method in the frequency domain. Analytical studies have found that, as the self-damping levels of SC and DVC increase, they exert incremental negative damping torque on each other. This interaction leads to an inverse variation in damping regulation of SC-LFO and DVC-LFO during the tuning of SC or DVC dynamic, ultimately causing the mutual repulsion phenomenon. Moreover, it has been proved that virtual damping in SC is not universally effective for LFOs stabilizing in GFM converter. Increased virtual damping ensures SC-LFO stability but may induce instability of DVC-LFO due to mutual repulsion. Finally, the analytical results are corroborated by both eigenvalue and time domain analysis.
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SunView 深度解读

该多模态低频振荡阻尼排斥机制研究对阳光电源ST系列储能变流器和PowerTitan大型储能系统具有重要应用价值。针对VSG控制的GFM变流器,研究揭示的同步控制环路与直流电压控制环路动态耦合机理,可直接指导ST系列产品优化控制参数设计,抑制弱电网并网时的多模态振荡风险。通过阻抗模型与状态空间建模结合的分析方法,能够为PowerTitan系统的多机并联场景提供振荡能量分布预测与控制策略优化依据,提升大规模储能电站在构网模式下的稳定性。该机制对SG系列光伏逆变器的GFM功能开发同样具有参考价值,有助于实现更鲁棒的新能源并网控制。