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    • 頭條武漢大學科研人員提出新方法,解決新能源并網逆變器振蕩失穩問題
      2021-06-09 作者:汪春江 孫建軍 等  |  來源:《電工技術學報》  |  點擊率:
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      導語隨著新能源并網規模的不斷增大,并網逆變器與電網阻抗交互作用愈加顯著,逆變器與電網阻抗的交互作用會降低并網系統功率變化阻尼效果,從而導致逆變器與電網間按特定頻率交換顯著的能量,引發振蕩等失穩問題。 針對此現象,武漢大學電氣與自動化學院的研究人員汪春江、孫建軍、宮金武、查曉明,在2020年《電工技術學報》增刊2上撰文,提出一種可提升弱電網下并網逆變器系統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及電流環輸入環節,實質是在直流側串聯虛擬電阻,從而提升系統阻尼。理論分析表明,該策略不僅能改善并網逆變器穩定性,還可擴大逆變器穩定控制參數域。

      以光伏、風電為代表的新能源發電是緩解能源危機、降耗去霾的有效途徑。逆變器作為能量轉換接口在大規模新能源發電并網中得到廣泛運用,對并網系統穩定運行的影響不容忽視。隨著并網規模的不斷增大,并網逆變器與電網阻抗的交互作用愈加顯著,從而引發系統穩定性問題,表現為各種振蕩失穩現象。

      這些振蕩現象廣泛存在于大規模光伏、風電并網系統,近年來,國內外已出現多起這類穩定性問題,其振蕩頻率從10~1000Hz不等。

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

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

      有學者將電力電子化系統類比到傳統電力系統,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行為。有學者認為電力電子化電力系統的動態問題呈現多時間尺度特征,并指明了這類動態問題的一般思路。

      有學者得出了忽略直流電壓環控制下并網逆變器系統的RLC等效電路,用電阻正負來解釋系統振蕩的機理。有學者在此基礎上加入功率環推導,得到了相同的結論,然而用簡單的電阻正負為判據具有很大的保守性。

      有學者得出諧振頻率附近逆變器的負電導特性是導致系統次同步振蕩原因的結論。有學者通過研究單電流環并網逆變器系統證明,振蕩的產生機理是因系統在振蕩頻率附近阻尼不足。

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

      針對這類失穩問題,國內外已有一些改善措施。有學者分別提出基于阻抗重塑、超前滯后補償、自適應控制等方法抑制振蕩,以上方法主要是通過改變電流環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現象效果并不明顯。有學者通過反饋直流輸入電流至電壓環輸入形成有源阻尼,提高并網逆變器系統的穩定性,但由于其反饋電流中含直流分量,作用類似下垂控制,在阻尼交互失穩現象同時將影響系統靜態工作點。

      武漢大學電氣與自動化學院的研究人員針對新能源發電并網系統中存在的并網逆變器與電網阻抗交互失穩問題,首先,建立逆變器小信號模型,分析了并網逆變器與電網阻抗交互失穩機理;其次,提出包含直流電壓環的阻尼振蕩策略,并分析了其提升并網逆變器系統穩定性的作用機理;然后,通過理論分析證明該策略能夠對并網逆變器適應電網電感范圍有2~3倍的提升,且能夠極大地提升逆變器穩定控制參數域;最后,通過硬件在環仿真對所提出的策略進行了驗證,仿真結果驗證了理論分析的正確性。

      研究人員最后得出結論如下:

      1)交互失穩是由直流電壓環與電網阻抗交互導致阻尼為負造成的。

      2)阻尼策略通過在直流側串并聯虛擬電感電阻,從而達到提升系統整體阻尼、提升系統穩定性、抑制功率振蕩的效果。

      3)阻尼策略能提高并網逆變器穩定性,且極大地提升逆變器穩定控制參數域。

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

      以上研究成果發表在2020年《電工技術學報》增刊2上,論文標題為“并網逆變器與電網阻抗交互失穩機理及阻尼策略”,作者為汪春江、孫建軍 等。