合肥工业大学：新能源发电集群分布式稳定控制技术

2024年第21届中国电气自动化与电控系统学术年会新能源发电集群分布式稳定控制技术李明副教授研究方向主要从事新能源利用与分布式发电技术的相关研究，包括：·新能源并网与新型电力系统稳定性分析方法·多逆变器电站的分布式协同稳定控制技术主持的科研项目作为项目负责人主持国家自然科学基金青年项目、国家重点研发计划项目子研究课题和中国博士后科学基金面上项目等教育和工作经历本科合肥工业大学硕博连读博士后合肥工业大学(免试)导师：张兴教授(二级教授)清华大学·专业：控制科学与工程导师：耿华教授(IEEEFellow,长江学者)3五、小结五、小结4合肥工紫大等1.研究背景口研究背景——新能源发电的大规模应用亿吨亿吨时刻时刻时刻0化石能源202520252030203520402045口研究背景——高渗透率新能源发电现状0ofPhotovoltaicGeneration:ACaseStudy,"IEEETransactionsonSustainableEnergy,vol.4,no.4.pp6大量的电力电子逆变器设备较长的输电线路广泛应用的变压器新能源发电站长输电线路公共耦合点新能源发电站长输电线路单元变压器单元变压器新能源发电站发电单元新能源发电站接入点变压器变压器变压器接入点接入点接入点并网变流器_并网变流器7合肥工紫大等提纲五、小结五、小结8合肥工紫大等传统跟网型并网稳定问题2.1为什么采用跟网型并网模式?1)发电机是容量足够大的电压源2)为了最大限度地利用新能源发电(MPPT)3)并网控制需要快速的功率响应4)并网电流的高电能质量5)多机并联的抗扰性强+++iLgwefiLgwef9合肥工紫大等2、传统跟网型并网稳定问题2.2高渗透条件下跟网型并网控制的问题合肥工紫大等提纲五、小结五、小结3.1为什么要采用构网型并网?1)高电网阻抗的弱电网条件下，构网型控制稳定裕度更大电网电压相位P1+MCgref—PIDroop-ControlledffPP[1]YuanXWangE,BoroyevichD,etalDC-linkvoltagecoTransactionsonPowerElectronics,2009,24(9):2178-2192.合肥工紫大等3.传统构网型并网稳定问题1)弱网下功率响应慢，难以准确实现最大功率点跟踪，经济性差2)构网型控制按负载需求输出功率，和源侧的最大功率点跟踪需求相矛盾3)电网阻抗大幅波动时，构网型逆变器在电网阻抗较小(强网)时容易发生振荡4)多机之间的功率抗扰性变差、耦合变强0合肥工紫大等提纲二、传统跟网型并网稳定问题二、传统跟网型并网稳定问题五、小结五、小结■问题的引出逆变器即插即用特性：不同电源和负荷需要根据气象、经济、电网和用户需求等复杂工况灵活切入切出，且希望不影响系统的正常运行，即新能源设备期望具备即插即用的功能。公共电网集中式电站公共电网集中式电站新能源发电站新能源发电站发电单元接入点发电单元接入点电站接入电站接电站接入点新能源新能源新能源并网逆变器并网逆变器■即插即用带来的问题?不同于电网阻抗引起的宽频振荡特性，即插即用引起工作点非线性变化，体现为在原来的工作点并网电流不出现宽频振荡，而在工作点变化后发生具备非线性频移特性的宽频振荡。#1,#2,and#3Inver#1,#2,and#3Inver0合肥工紫大等并网逆变器本身是一个复杂的多输入多输出非线性系统，并且受到即插即用导致设备随机投切等因素的影响，电网特性呈现非线性变化，电网电压锁相LabegabeMoabe电网电压相位电网电压锁相PowerSinchronizationPWaves电压前馈电压前馈iWCdtefiWCdtef++ii基于线性PI控制器的跟网和构网型逆变器典型结构示意图合肥工紫大等4.新能源发电集群分布式稳定控制技术■无源性理论——解决上述问题提供一种可行的理论工具：·无源性理论指出：由无源子系统任意并联形成的新系统也是无源Rpp<0互联无源系统示意图合肥紫大等如果要使得能量的最小点处为期望值，可采用端口受控哈密顿方程(PCH)进行无源控制器设计；并通过选择哈密顿能L₁ll采样Pnf采样PnfQefldguolodqXd无源ldguolodqXd无源g:反映系统输入特性的矩阵然而，作为一种基于模型的控制方案，无源控制器控制性能高度依赖于控制模型的精度。逆变器即插即用会带来电网结构/参数变化，将会引起无源控制系统抗扰能力下降。口思路引出·获取电网结构/参数变化引发的扰动：·是否可在通过引入非线性扰动观测器算法，来获取扰动补偿到无源控制器中，提升系统抗扰能力?形式①辨识4.新能源发电集群分布式稳定控制技术关键技术1(无源控制器环路设计):该环路是整个控制策略的基础控制器，从能量的角度设计保证了系统的无源性，实现从单机扩展到多机时整个系统的无源性和稳定性。xpxp环路协同环路 合肥工紫大学4.新能源发电集群分布式稳定控制技术期望的闭关键技术2(非线性观测器环路设计):该环路输出是即插即用带来的非线性扰动的估计值，输入到无源控制环路，这样可以提升逆变器xpxp环路uu环路所提适用于跟网型逆变器的非线性观测器基于统—PCH模型，实现了观测器和无源控制器相互融合设计，保证引入观测器之后的DCDC+o-V观测器引入的虚拟等效电压源电流M逆变器侧L,■稳定性证明：S0PudP■结合非线性观测器后的无源控制律：大等4.新能源发电集群分布式稳定控制技术关键技术3(阻尼动态协同环路):单机扩展到多机时，该环路实现对系统级阻尼特性的协调控制，并将其输出作为无源控制环路输入，xp环路plXlX环路合肥工紫大等4.新能源发电集群分布式稳定控制技术■为何要设计自适应动态协同环路?·无通讯方案：直接利用局部测量信息，预先设置协作规则(指标),实现多个逆变d轴电流/Ad轴电流/Ad轴电流/Ad轴电流/A■协作规则(指标)选取·电网阻抗越大，将发生欠阻尼振荡；但无源控制下的系统始终能够保证稳定运行(稳定性始终保证，但动态性能受到影响)。33333iiiii22222时间/s11不同电网阻抗影响下逆变器的输出电流动态性能■协作规则(指标)选取置阻尼，以确保多逆变器设备无通信情况下的整体动态性能。构建阻尼系数ra与电网阻抗之间的关系(非线性下垂曲线):ra=f(Lg)1 ■实验结果(稳定性验证：非线性观测器+无源控制环路)传统PI控制提出的控制策略■实验结果(动态性能验证：自适应动态阻尼环路)所提自适应阻尼注入方法所提自适应阻尼注入方法i合肥工紫大等提纲一、研究背景一、研究背景二、传统跟网型并网稳定问题二、传统跟网型并网稳定问题五、小结五、小结1)在接入电网的高渗透率新能源发电末端弱电网中，跟网型控制技术经过改进，仍是经济性较好的主流并网控制方案；2)采用构网型控制技术可有效提升新能源场站系统弱网运行稳定性；3)随着新能源渗透率的进一步提升，基于无源性的新能源集群分布式稳定控制技术将逐步提升占有率而发挥更大作用。6)