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  • 頭條武漢大學(xué)科研人員提出新方法,解決新能源并網(wǎng)逆變器振蕩失穩(wěn)問題
    2021-06-09 作者:汪春江 孫建軍 等  |  來源:《電工技術(shù)學(xué)報》  |  點擊率:
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    導(dǎo)語隨著新能源并網(wǎng)規(guī)模的不斷增大,并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)阻抗交互作用愈加顯著,逆變器與電網(wǎng)阻抗的交互作用會降低并網(wǎng)系統(tǒng)功率變化阻尼效果,從而導(dǎo)致逆變器與電網(wǎng)間按特定頻率交換顯著的能量,引發(fā)振蕩等失穩(wěn)問題。 針對此現(xiàn)象,武漢大學(xué)電氣與自動化學(xué)院的研究人員汪春江、孫建軍、宮金武、查曉明,在2020年《電工技術(shù)學(xué)報》增刊2上撰文,提出一種可提升弱電網(wǎng)下并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)功率振蕩阻尼效果的控制策略,該控制策略將直流電壓微分量引入到電壓環(huán)及電流環(huán)輸入環(huán)節(jié),實質(zhì)是在直流側(cè)串聯(lián)虛擬電阻,從而提升系統(tǒng)阻尼。理論分析表明,該策略不僅能改善并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性,還可擴大逆變器穩(wěn)定控制參數(shù)域。

    以光伏、風(fēng)電為代表的新能源發(fā)電是緩解能源危機、降耗去霾的有效途徑。逆變器作為能量轉(zhuǎn)換接口在大規(guī)模新能源發(fā)電并網(wǎng)中得到廣泛運用,對并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響不容忽視。隨著并網(wǎng)規(guī)模的不斷增大,并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)阻抗的交互作用愈加顯著,從而引發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題,表現(xiàn)為各種振蕩失穩(wěn)現(xiàn)象。

    這些振蕩現(xiàn)象廣泛存在于大規(guī)模光伏、風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng),近年來,國內(nèi)外已出現(xiàn)多起這類穩(wěn)定性問題,其振蕩頻率從10~1000Hz不等。

    不同于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)振蕩問題,這種由逆變器引起的振蕩和機械系統(tǒng)沒有任何聯(lián)系,其頻率和衰減率由逆變器控制參數(shù)和交流電網(wǎng)參數(shù)共同決定,且比次同步諧振發(fā)散得更快,應(yīng)引起足夠的重視。因此,研究并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)阻抗交互失穩(wěn)機理及阻尼策略,具有十分重要的理論和工程實用價值。

    對這種穩(wěn)定性問題最普遍的解釋是電網(wǎng)阻抗較大時并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)整體阻尼不足,阻尼是系統(tǒng)受到擾動后阻礙狀態(tài)變量振蕩的作用,是系統(tǒng)固有的一種特性,其大小和方向直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

    有學(xué)者將電力電子化系統(tǒng)類比到傳統(tǒng)電力系統(tǒng),嘗試用類似功角運動的二階微分方程來解釋逆變器的動態(tài)行為。有學(xué)者認(rèn)為電力電子化電力系統(tǒng)的動態(tài)問題呈現(xiàn)多時間尺度特征,并指明了這類動態(tài)問題的一般思路。

    有學(xué)者得出了忽略直流電壓環(huán)控制下并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的RLC等效電路,用電阻正負(fù)來解釋系統(tǒng)振蕩的機理。有學(xué)者在此基礎(chǔ)上加入功率環(huán)推導(dǎo),得到了相同的結(jié)論,然而用簡單的電阻正負(fù)為判據(jù)具有很大的保守性。

    有學(xué)者得出諧振頻率附近逆變器的負(fù)電導(dǎo)特性是導(dǎo)致系統(tǒng)次同步振蕩原因的結(jié)論。有學(xué)者通過研究單電流環(huán)并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)證明,振蕩的產(chǎn)生機理是因系統(tǒng)在振蕩頻率附近阻尼不足。

    上述研究一定程度解釋了并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)振蕩的產(chǎn)生機理,但仍具有較大保守性或忽略了直流電壓環(huán)。

    針對這類失穩(wěn)問題,國內(nèi)外已有一些改善措施。有學(xué)者分別提出基于阻抗重塑、超前滯后補償、自適應(yīng)控制等方法抑制振蕩,以上方法主要是通過改變電流環(huán)控制來提高相位裕度從而提升電流控制阻尼效果,但對包含直流電壓控制的逆變器交互失穩(wěn)現(xiàn)象效果并不明顯。有學(xué)者通過反饋直流輸入電流至電壓環(huán)輸入形成有源阻尼,提高并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的穩(wěn)定性,但由于其反饋電流中含直流分量,作用類似下垂控制,在阻尼交互失穩(wěn)現(xiàn)象同時將影響系統(tǒng)靜態(tài)工作點。

    武漢大學(xué)電氣與自動化學(xué)院的研究人員針對新能源發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中存在的并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)阻抗交互失穩(wěn)問題,首先,建立逆變器小信號模型,分析了并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)阻抗交互失穩(wěn)機理;其次,提出包含直流電壓環(huán)的阻尼振蕩策略,并分析了其提升并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用機理;然后,通過理論分析證明該策略能夠?qū)Σ⒕W(wǎng)逆變器適應(yīng)電網(wǎng)電感范圍有2~3倍的提升,且能夠極大地提升逆變器穩(wěn)定控制參數(shù)域;最后,通過硬件在環(huán)仿真對所提出的策略進(jìn)行了驗證,仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

    研究人員最后得出結(jié)論如下:

    1)交互失穩(wěn)是由直流電壓環(huán)與電網(wǎng)阻抗交互導(dǎo)致阻尼為負(fù)造成的。

    2)阻尼策略通過在直流側(cè)串并聯(lián)虛擬電感電阻,從而達(dá)到提升系統(tǒng)整體阻尼、提升系統(tǒng)穩(wěn)定性、抑制功率振蕩的效果。

    3)阻尼策略能提高并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性,且極大地提升逆變器穩(wěn)定控制參數(shù)域。

    此外,由于本阻尼策略是基于提升系統(tǒng)阻尼的反饋控制,理論上對于多逆變器系統(tǒng)同樣適用。

    以上研究成果發(fā)表在2020年《電工技術(shù)學(xué)報》增刊2上,論文標(biāo)題為“并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)阻抗交互失穩(wěn)機理及阻尼策略”,作者為汪春江、孫建軍 等。

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