跟网型并网变换器的稳定域重塑控制策略研究综述.pdf
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1、 第 18 卷第 2 期 2023 年 6 月 电 气 工 程 学 报 JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING Vol.18 No.2 Jun.2023 DOI:10.11985/2023.02.005 跟网型并网变换器的稳定域重塑控制策略 研究综述*马文杰1 张 波1 丘东元1 陈艳峰1 孙华东2(1.华南理工大学电力学院 广州 510640;2.电网安全与节能国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司)北京 100192)摘要:大力发展可再生能源是完成能源清洁化转型和实现“双碳”目标的重要途经。在此时代背景下,电力系统结构形态将发生根本性转变,从以同步机电源为主
2、导的传统电力系统发展为由风、光新能源作为主体的新型电力系统。电力电子变换器作为新能源并网发电的接口,具有高度的灵活性与可控性,如何设计控制策略以保证并网变换器的稳定运行是电网高比例可再生能源发展进程中最受关注的重要问题之一。针对复杂电网工况下基于锁相环同步跟网型并网变换器的致稳控制方法,形成了一系列相关研究成果。在具体并网场景下,通过建立合适的跟网型并网变换器的数学模型,并结合与模型适配的稳定性分析方法明晰并网系统失稳机理,进而设计控制策略以改善并网系统稳定性,提升跟网型并网变换器对具体场景的适应性,即经改进控制策略重塑了跟网型并网变换器的稳定运行域。本文依据所采用的跟网型并网变换器模型及稳定
3、性分析方法,将从小扰动意义下的稳定域重塑控制和暂态场景下的稳定域重塑控制两个方面,梳理与归纳迄今的工作进展,并在此基础上探讨保障高比例可再生能源电力系统安全可靠运行仍需研究的技术问题。关键词:新能源并网;跟网型变换器;锁相环同步;控制策略;高比例可再生能源电力系统 中图分类号:TM76 Control Strategy to Reshape the Stable Region for Grid-following Converter:An Overview MA Wenjie1 ZHANG Bo1 QIU Dongyuan1 CHEN Yanfeng1 SUN Huadong2(1.Schoo
4、l of Electric Power Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640;2.State Key Laboratory of Power Grid Safety and Energy Conservation(China Electric Power Research Institute),Beijing 100192)Abstract:Developing renewable energy is an important way to implement the green-oriented t
5、ransition of energy and achieve the goals of carbon peaking and carbon neutrality.Under such circumstance,the power system configuration will undergo a fundamental transformation,from the traditional power system dominated by synchronous generators to a new one that is dominated by wind and solar so
6、urces.As the interface between the power grid and the renewable energy,power electronic converters have high flexibility and controllability.Designing control strategies to ensure the stable operation of grid-connected converters is one of the most important issues in the development of a power syst
7、em with high penetration of renewable energy.For the grid-following converter(GFC),which synchronizes with the grid via the phase-locked loop,many control strategies have been proposed for ensuring its stable operation under complex grid conditions.For a specific scenario,a mathematical model of the
8、 GFC is established.By combining suitable stability analysis methods,the instability mechanism of GFC can be clarified.Then,the stable region of the GFC can be reshaped by improved control strategies.According to the models used in the stability analysis,the proposed strategies can be *国家自然科学基金集成资助项
9、目(U2166601)。20220526 收到初稿,20220713 收到修改稿 月 2023 年 6 月 马文杰等:跟网型并网变换器的稳定域重塑控制策略研究综述 35 divided into two categories.One is to reshape the stable region of the GFC in the sense of small-signal disturbance,the other is for reshaping the stable region under transient scenarios.An overview works is present
10、ed.Moreover,to facilitate the development of the power system with high penetration of renewable energy,some future investigations towards the stable control of GFCs are discussed.Key words:Renewable energy integration;grid-following converter;synchronization by phase-locked loop;control strategy;po
11、wer system with high penetration of renewable energy 1 引言 电能作为一种清洁、实用且容易控制和转换的能源形式,是国民经济快速发展的重要支撑。为缓和社会发展进程中日益增长的能源消耗需求与能源紧缺、环境保护三方面之间的矛盾,我国持续深化电力能源清洁化转型,大力开发风电、光伏等可再生能源,推进新能源发、输、配、用的一系列相关技术1。在“碳达峰”“碳中和”愿景下,我国电力系统中新能源占比将持续攀升,预计到 2030 年,风、光可再生能源发电总装机容量达 12 亿 kW 以上;到2060 年,新能源装机总占比将达约 66%,总发电量占比逼近 57%
12、2。这预示着高比例可再生能源并网将成为未来我国电网发展的重要趋势和基本特 征3。由于可再生能源发电系统常使用电力电子变换器作为并网接口4,随着其在电网中渗透率的升高,整个电力系统呈现电力电子化趋势5。传统的旋转式同步发电机具有高质量机械转子,因而整个能量变换系统的时间常数大,控制带宽窄,对于来自网侧的中高频扰动并不敏感6。然而,电力电子装备常包含多个动态响应时间常数不同的控制环路,如光伏并网发电系统就有直流母线电压环、网侧电流控制环和同步锁相环7,系统频带覆盖范围广,对电网中包括中、高频动态在内的宽频带扰动反应灵敏;此外,并网变换器出口处与电网之间设置有高频滤波器。电感电容元件、变换器控制系统
13、及电网三者之间的交互作用导致严重的谐振现象8,涉及频段可达数千 Hz。近年来,含高比例可再生能源电力系统谐振不稳定事故频发,如我国青海某50 MVA 光伏电站和内蒙古东山风电场出现的 20次以上谐波放大9、沽源风电场与临近串补装置相互作用激发频率为 310 Hz 的次同步振荡10、德国Borwin1 风电柔直工程中 100 Hz1 kHz 范围的谐波谐振11、光伏电站远距接入电网受传输线分布电容影响引发谐振12等。由此可见,在同步发电机被可再生能源机组大量替代的背景下,整个电力系统的动态特性发生了深刻变化,稳定机理高度复杂化。因此,深入研究复杂电网工况下可保证并网变换器稳定运行的控制策略,对于
14、促进电力系统高比例可再生能源发展进程至关重要。基于旋转坐标变换和锁相环(Phase locked loop,PLL)的电流闭环矢量控制方法被广泛应用于风电、光伏并网系统13-14,采用此控制方式的并网变换器常被称为跟网型并网变换器14。由于我国能源与负荷分布特点,大规模新能源场站常远距接入电网,传输线路阻抗较大;此外,随新能源渗透率升高,电网呈现“弱电网”特性15,网络等效阻抗大范围波动16。研究发现,当电网等效阻抗不可忽略时,锁相环同步跟网型并网变换器与电网之间的多时间尺度动态交互作用会导致新能源机组注入电网的电流发生谐振,严重时甚至脱网。近十几年来,针对弱电网下跟网型并网变换器的谐振不稳定
15、问题,国内外学者开展了大量研究工作。通过对跟网型并网变换器控制系统中的锁相环、脉宽调制环节等非线性环节进行局部线性化处理,得到并网系统的小信号模型,进而形成了基于线性系统理论的稳定性分析和控制设计方 法17。对于小扰动范畴的并网稳定控制已初具系统性解决思路。另一方面,早期风、光等可再生能源在电力系统中占比较低,仅承担辅助能源的角色。当电网发生短路等故障时,由于耐受能力较弱,新能源机组为保证自身安全可选择脱网运行。然而,在高比例可再生能源电力系统中,为保证电网安全运行,防止大规模连锁故障事故发生,要求新能源机组具备较强的故障穿越能力,在故障期间保持一定的输出功率连续性,甚至为电网提供动态无功支撑
16、18-19。因此,跟网型并网变换器在电网短路故障等大扰动下的暂态稳定运行问题正逐步引起关注20-21。由于此类问题的分析需要计及变换器控制系统的非线性,因此,小扰动稳定性分析方法将不再适用。基于数值积分的逆轨迹法、李雅普诺夫能量函数法等大信号分析方法被研究人员广泛采用22。因并网变换器控制系统具有多时间尺度耦合特性,且在应对 电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 36 电网故障时存在控制策略切换行为,整个并网系统动态特性异常复杂,针对其暂态稳定控制的研究目前尚处于初步阶段23,远未成体系。综上,风、光等新能源发电的不断发展“重塑”了整个电力系统的动态行为,引发不同于传统电力系统的稳
17、定性问题。如何保证新能源并网变换器的稳定运行是高比例可再生能源电力系统发展进程中始终需要关注的基本问题之一。对于跟网型并网变换器而言,整个并网系统的动态特性在很大程度上由所配备的闭环控制策略决定,因而其系统特性具有高度的可定制性。为扩大具体并网场景下跟网型并网变换器的稳定运行区域,提升跟网型并网变换器对复杂电网工况的适应能力,国内外学者致力于提出各种并网稳定控制策略,取得了丰富成果。本文将此类用于扩大具体并网场景下跟网型并网变换器稳定运行区域的控制策略总结为“稳定域重塑控制”。依据控制设计与分析中所采用的跟网型并网变换器模型,本文将从小扰动意义下的稳定域重塑控制和暂态场景下的稳定域重塑控制两个
18、方面系统性地梳理与归纳当前已取得的研究成果,并探讨未来可能的研究方向,以期为进一步的研究提供借鉴和参考。2 锁相环同步跟网型并网变换器 典型的锁相环同步跟网型并网变换器如图 1 所示24-25。图 1 锁相环同步跟网型并网变换器 图 1 中,变换器由三相半桥逆变电路、LCL 滤波器和数字控制系统组成;电网则采用其戴维南等效电路来表示,包括网络等效阻抗 Zg和理想电压源。此外,图 1 中 ix(x=a,b,c)为并网电流,icx为滤波电容电流,vdc为直流母线电压,idq和 icdq对应并网电流、滤波电容电流在 dq 同步坐标系中的分量。由此可见,跟网型并网变换器控制系统由 3 部分组成,即功率
19、外环、电流内环和锁相环。下面将对各控制环路的内部结构进行介绍。2.1 功率外环 当采用 dq 坐标系下的电流闭环矢量控制策略时,常将并网点电压矢量定向于 d 轴,即并网点电压矢量在控制用 dq 坐标系中的 q 轴分量为零,从而通过调节并网电流的 id和 iq分量实现并网有功和无功功率的快速解耦控制。如图 2 所示,功率外环常采用直流母线电容电压反馈控制的方式来生成有功电流参考值 ird,从而实现对并网有功功率的调节。无功电流参考值 irq则根据所需输送的无功功率 Qr来产生,通常情况下,直接给定 irq=0 以实现单位功率因数并网发电。图 2 功率外环典型结构 2.2 电流内环 同步旋转坐标系
20、中,并网电流 id和 iq表现为直流量,因此,采用 PI 控制器即可实现对参考值 ird和 irq的准确跟踪,具体控制实现如图 3 所示。图 3 电流内环典型结构 2.3 锁相环 旋转坐标系电流闭环矢量控制方法的一个核心关键在于准确获取并网点电压的相位,实现与交流电网的同步。图 4 所示单同步坐标系锁相环(SRF-PLL)是用于实现与电网同步的经典方案26,因其具有原理简单、实现方便、响应快速等优点而被广泛采用。图 4 中,vabc是变换器并网点三相电压采样值,vd和 vq对应并网点电压在 dq 坐标系中的分量,为计算所得电网电压相位。kp和 ki是 PI 控制器的比例增益和积分增益,xi代表
21、积分器的输出。图 4 单同步坐标系锁相环 月 2023 年 6 月 马文杰等:跟网型并网变换器的稳定域重塑控制策略研究综述 37 2.4 跟网型并网变换器面临的稳定控制挑战 强电网下,即网络等效阻抗 Zg可忽略不计时,图 1 所示并网系统具有并网功率调节快速、控制稳定、鲁棒性强等优点。虽然包含多个控制环路,但是依照一定的设计规则,可使得各环路动态解耦,从而每个环路可独立进行控制参数调整,系统实现大大简化。然而,随着风、光新能源发电的大力发展,并网点网络已不再呈现无穷大电网特性,等效阻抗 Zg较大且大幅波动,即电网表现出“弱电网”特性27。弱电网条件下,跟网型并网变换器与电网之间将存在多时间尺度
22、动态耦合效应,若仍采用基于强电网假设形成的并网控制设计方案,则整个并网系统存在失稳风险24,28-29。此外,大规模新能源发电系统常采用集群方式并网,邻近变换器会传递宽频域的干扰,严重时引发集群并网谐振事故30-31。最后,由于并网变换器自身的物理耐受性较差,电网故障情况下保持并网需要进行一系列控制策略的切换,整个并网变换器的暂态稳定问题凸显。3 小扰动意义下的稳定域重塑控制 针对跟网型并网变换器的稳态稳定运行问题,即小扰动意义下的稳定运行,通过建立并网系统在工作点附近的线性化模型,众多专家学者研究并提出了系统化的解决方案。在进行控制策略设计之前,需要先建立系统数学模型并结合与模型适配的稳定性
23、分析方法,明晰网络阻抗变化导致系统失稳的机理。因此,本节首先介绍跟网型并网变换器控制系统小扰动稳定性分析的常用方法,并在此基础上讨论揭示弱电网条件下电网等效阻抗对并网系统小扰动稳定性的具体影响,以便清晰理解现阶段研究工作中解决稳定性问题的基本思路,同时,一定程度上为后续的稳定控制策略评述提供归类依据。3.1 系统模型及稳定性分析方法 如图 1 所示,跟网型并网变换器控制系统中含有多个动态响应时间不同的控制环路,频带覆盖范围较广,涉及高频段的电流控制以及低频段的功率控制。由于功率外环和电流内环近似动态解耦,因此,在小扰动范畴的并网稳定性研究工作中一般不考虑功率外环与电流内环之间的交互作用。聚焦于
24、弱电网条件下的电流稳定控制,基于小信号线性化模型,形成了以特征值理论和阻抗法32-34为核心的稳定性分析理论体系。针对跟网型并网变换器控制系统,以图 1 和图3 为例,常用的分析模型如图 5 所示,其中,变换器和 PWM 模块被等效为比例增益环节 kpwm,Gpi(s)为 PI 控制器传递函数,r 为滤波电容等效串联电阻。值得指出的是,对于采用其他控制器的并网变换器,均可采用小扰动原理建立起类似的线性化数学模 型35。图 5 并网控制系统 d 轴模型 对于三相系统,其 d 轴和 q 轴的控制通道之间存在耦合24。然而,一般情况下,滤波电容 C 和网侧滤波电感 L2的值较小,耦合通道的增益小;另
25、一方面,是否考虑耦合通道并不影响网络阻抗的影响机理分析。因此,为突出重点,本文忽略耦合通道,认为 d、q 轴近似解耦。如此,d 轴和 q 轴即具有 相同的控制系统模型,图 5 中选取 d 轴为例进行 说明。3.1.1 特征值法 根据图 5 所示线性系统模型,通过求解闭环传递函数(ird到 id的传递函数)的特征值可对并网系统进行较深入的稳定特性研究。例如,采用特征值灵敏度分析方法可得到影响系统稳定性的主导因 素36。需要说明的一点是,在特征值法的运用当中,电网和并网变换器被视为一个整体,如图 5 所示,电压输入为 ed,而非公共连接点(Point of common coupling,PCC)
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