2024年含构网型与跟网型变换器的系统稳定性报告-西安交通大学（李奕曈）

李奕疃西安交通大学电气工程学院2024年12月2日222023年6月国家能源局《新型电力系统发展蓝皮书》·构建新型电力系统是国家战略需求。效是系统运行的基本前提。稳定性33装备/设备属性电网需求转子定子传统电力系统：和同步电机匹配的稳定运行方式。新型电力系统：设备属性vs电网需求?逆变器vs同步机?44方案A:逆变器提供虚拟惯量?方案A:逆变器提供虚拟惯量?机械惯量维持动态频率稳定或同步电力同步电力频率稳定防止滑极/失步个惯量更小、响应更快系统系统逆变器不仅仅是理论技术问题，还会涉及到经济、可接受更宽范围频率变化可接受更宽范围频率变化5(1)构网型与跟网型的对偶规律(2)构网型变流器稳定控制设计(3)构网型控制技术的应用拓展(4)含多变流器的电力系统稳定性(5)稳定性分析软件与数值计算6(1)构网型与跟网型变流器的对偶规律构网型与跟网型逆变器7·GYZG0FrequencyPowerPY.Li,Y.Gu,T.C.Green,"RevisitingGrid-FormingandGrid-FolowingInverters:ADualityTheory",IEEETranson构网型-跟网型的对偶控制架构8跟网型：电压锁相环跟网型：无功频率下垂控制(或复功率)151等价ww1等价abc15iabcθ51一51一5无功形式Q=vq*id-vd*iqαvq1一5w1一5Y.Li,Y.Gu,T.C.Green,"Revisit99电压跟随-电流构建(PLL)(电流环)3作用3带宽带宽带宽不稳定稳定不稳定电流跟随-电流跟随-电压构建(P-w下垂)(电压环)强电网作用低电压环高下垂控制带宽带宽稳定不稳定狭义的跟网型与构网型逆变器在并网稳定性角度是对偶的：电流-电压、阻抗-导纳、弱网-强网等等。弱电网交互作用对偶带宽带宽带宽交互高下垂控制带宽高下垂控制带宽带宽稳定不稳定稳定(2)构网型变流器稳定控制设计器输出端口的电压-电流关系。9AUAU例1:电流控制电压源例2:电压控制电流源Z°例3:更一般的情况，借助戴维南定理、诺顿定理、叠加定理等电路理论，实现虚拟阻抗等效。所有控制都可以被视作是虚拟阻抗，每个控制参数对应一个虚拟阻抗电路元件。构网型逆变器不个个不不个个不同步控制d电流电流内环独立且离散的若干虚拟阻抗(感性、阻性、容CY.Li,Y.Gu,Y.Zhu,A.J-F,X.Xiang,T.C.Green,"ImpedanceCircuitModelofGrid-Forming所有控制都可以视作是虚拟阻抗：逆变器控制会改变输出端口的电压和电流的关系，每个控制参数对应一个独立的虚拟阻抗元件。ZPIZsLrfju,LZcp·ki是虚拟电容，输出导纳为零，呈现理想电流源特性，消除电流环控制静差。控制参数设计+电路视角的物理解读Y.Li,Y.Gu,Y.Zhu,A.J-F,X.Xiang,T.C.Green,“ImpedanceCircuitElements",IEEETransonPowerElectronics,2021.阻抗电路模型：构网型稳定控制设计16所有控制都可以视作是虚拟阻抗：逆变器控制会改变输出端口的电压和电流的关系，每个控制参数对应一个独立的虚拟阻抗元件。ZprZ_sLprfju,LZcDZFZo_jw,LeA·ki是虚拟电感，输出阻抗为零，呈现理想电压源特性，消除电压环控制静差。控制参数设计+电路视角的物理解读Y.Li,Y.Gu,Y.Zh,A.J-F,X.Xiang,T.C.Green,"ImpedanceCircuitModelofGrid-FormingCircuitElements",IEEETransonPowerElectronics,2021.阻抗电路模型：构网型稳定控制设计17所有控制都可以视作是虚拟阻抗：逆变器控制会改变输出端口的电所有控制都可以视作是虚拟阻抗：逆变器控制会改变输出端口的电压和电流的关系，每个控制参数对应一个独立的虚拟阻抗元件。ZouterZouterzpiz,fju,LZcDIZcbZc负的虚拟阻抗，抵消整个电压环或电流环的输出阻抗特性，使逆变器·在电流环带宽内呈现出宽频域理想电流源特性。·在电压环带宽内呈现出宽频域理想电压源特性。负阻抗特性易导致系统不稳定，因此实际中前馈系数通常小于1(如0.5或0.75)。CircuitElements",IEEETransonPower所有控制都可以视作是虚拟阻抗：逆变器控制会改变输出端口的电压和电流的关系，每个控制参数对应一个独立的虚拟阻抗元件。ZprZsLrfju,LZcpjwrLetA·P-W下垂控制是旋转的虚拟阻抗，影响有功分配和频率支撑能力，不直观，但在频谱上能看出来低频的功角摇摆模态。Y.Li,Y.Gu,Y.Zhu,A.JF,X.Xiang,T.C.Green,"ImpedanceCircuitModelofGrid-FormingInverter:VisualizingControlAlgorithmsasCircuitElements",IEEETran各控制参数与总结各控制参数与总结：Negativevirtualadmittancb.2)Dealingwithlow-frequencyharmonics.imbalaY.Li,Y.Gu,Y.Zhu,A.J-F.,X.Xiang,T.C.Green,"ImpedanceCircuitModelofGrid-F(3)构网型控制技术的应用拓展白田白PPwwJJθ储能、新能源、·响应速度够快·直流电压恒定若不构网型技术中，构建电压和构建频率应是2个功能。·狭义的构网型GFM[1]或虚拟同(2)只构建电压+不构建频率无额外储能情况。(4)不构建电压+不构建频率·狭义的跟网型GFL[1][1]Y.Li,Y.Gu,T.C.Green,"RevisitingGrid-FormingandGrid-FollowingInverters:A[2]C.Ai,Y.Li,J.Liu,“AnExtensionofGrid-Forming:AFrequency-FollowingVoltage-FormingInverte[3]李奕疃，艾诚，覃瑶，刘腾，喻松涛，刘进军，“基于匹配控制的构网型变流器小扰动稳定性综述”,高电压技术。[4]J.Fang,etal,"OntheIneriaofFutureMorePower-ElectronElectronics,2019.构网型MPPT新能源可实现快速支撑电网电压，同时跟随电网频率变化。r实验室原理样机快速频率跟踪+恒定功率控制主动电压控制+快速无功响应频率跟随-电压构建型控制思路：匹配控制、惯量同步控制等方法实现。直流电压直流电压P十LLfi十UdqUdq交流电压控制NN交流频率控制“极对数”C.Ai,Y.Li,J.Liu,"AnExtensionofGrid-Forming:AFrequency-FollowingVoltage-FormingInverter",EEETransPowerElectronics,2024.李奕瞳，艾诚，覃瑶，刘腾，喻松涛，刘进军，“基于匹配控制的构网型变流器小扰动稳定性综述”,高电压技术。机侧功率控制与网侧频率控制是互斥的，二者只能取舍权衡。构网型储能θθδPmf₂6)θwNPD低通滤波器=1/(sJ+D)构网型MPPT新能源PIPIPf₉6)PI控制器=1/(sC)+RNicR交流频率交流频率→直流电压→直流电压→交流频率P2→ControlControl一clVc²→—pPWMIPEMCECCE-Asia,2024.拓扑结构拓扑结构L中L_θ控制架构*Mv中AvZ00wJ.Gu,Y.Li,C.Ai,Y.Yang,X.Zhou,J.Liu,"Dual-PortGrid-FormingControlofMMCwithEmbedded(4)含多变流器的电力系统稳定性全系统阻抗模型(Whole-SystemImpedance即为从多机多节点系统的对应节点看到的系统的阻抗传递函数。Y.Gu,Y.Li,T.C.Green,"Impedanc-basedWhole-SystemModelingforaCompositeGridviaEmbedingofFrameSystems,2021.Y.Li,Y.Gu,T.C.Green,"MappingofDyn含构网型和跟网型设备的IEEE68节点系统全系统阻抗模型对角线元素的Bode图-调节对应设备对应参数，实现振荡定向抑制。App(P,z2链式法则Y.Zhu,Y.Gu,Y.Li,T.C.Green,"Impedance-basedRoot-CauseAnalysis:ComparativeStudyofImpedanceModelsandCalculationofEigenvalue阻抗传递函数法：不同阻抗建模形式关系31( (望y望y由kykyU+ykUkY.Zhu,Y.Gu,Y.LiT.C.Green,"Impedance-basedRoot-CauseAnalysis:ComparativeSudyofImpedan计算系统的阻抗稳定裕度，对复杂系统进行宽频域的小扰动稳定性评估。阻抗稳定裕度模态裕度Modemargin(complexplane)7.05.5Time(s)阻抗稳定裕度评估系统稳定性并辨识关键节点，定向调节控制参数，提升电网小扰动动态稳定性。Y.Zhu,T.C.Gu,X.Zhou,Y.Li,D.Kong,Y.Gu,"ImpedanceMarginRat传递函数是基于端口动态的建模方法，阻抗只是其中一种。UiUiwpuUi建模准确度相关。4案例1:电气阻抗4案例1:电气阻抗(v-i)Electrical-CentricViewLiNetworkSystems,2022.Y.Gu,Y.Li,Y.Zhu,T.C.Green,“Impedance-basedWhole-SystemModelingforaCompositeGridv同步电机：同步电机：O3-对电网呈现电压源特性，通调节转子转速(频率)逆变器：交流侧开关桥臂直流侧交流侧开关桥臂跟网型：跟网型：对电网呈现电流/功率同步转矩系数法：多机系统建模35系统同步稳定性关键参数：同步系数、同步阻尼、同步惯量，与同步电机类似。环路1Ane⁰w1W2Ane⁰w1W2SXXXX×XXSXXXX×XXX×XXX厂厂J厂XXX解调信道同步调制·环路1:调制解调动态，同步系数。·环路2:信道频率动态，同步阻尼。··环路1:调制解调动态，同步系数。·环路2:信道频率动态，同步阻尼。同步电机无源负载逆变器(根据参与因子染色)ta品00a01在关键节点加入构网型设备，提升暂态稳定性。Time(s)目录37(5)稳定性分析软件与数值计算基于用户数据自动生成UU*tt盘0盘cNo7H7电力电子化电力系统系统规模：多机(100+节点)、交流-直流、同步机-逆变器交叉验证：传递函数、状态空间、时域仿真影响数值计算：状态空间与隐式状态空间39状态空间：以电感为例：电路模型：电流是状态微分方程模型：电流是状态状态方程模型的缺点：状态只能是输出。因此，电流是输出，电压是输入。因此，状态方程模型的缺点：状态只能