构网型与跟网型变流器混联并网系统配比关键影响因素分析

张斌; 张学广; 徐殿国

doi:10.7500/AEPS20240111006

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

构网型与跟网型变流器混联并网系统配比关键影响因素分析

构网型技术 | 更新时间：2025-06-16

- 构网型与跟网型变流器混联并网系统配比关键影响因素分析
- Analysis on Key Influence Factors of Ratio of Grid-forming and Grid-following Converters in Hybrid Parallel Grid-connected System
- 电力系统自动化 2025年49卷第1期页码：47-58
- 作者机构：
  
  哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江省哈尔滨市 150001
- 作者简介：
  
  张斌(1999—)，男，硕士研究生，主要研究方向：新能源并网控制与建模分析。E-mail：zb905269848@163.com
  张学广(1981—)，男，通信作者，教授，博士生导师，主要研究方向：风力发电技术与大功率电力电子技术。E-mail：zxghit@126.com
  徐殿国(1960—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向：交流电机无传感器控制、交流伺服系统、电力电子化电力系统等。E-mail：xudiang@hit.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(51977046)
- DOI：10.7500/AEPS20240111006
  中图分类号：
- 收稿：2024-01-11，
  
  修回：2024-06-20，
  
  网络出版：2024-09-23，
  
  纸质出版：2025-01-10
- 稿件说明：
移动端阅览
张斌,张学广,徐殿国.构网型与跟网型变流器混联并网系统配比关键影响因素分析[J].电力系统自动化,2025,49(1):47-58.

ZHANG Bin,ZHANG Xueguang,XU Dianguo.Analysis on Key Influence Factors of Ratio of Grid-forming and Grid-following Converters in Hybrid Parallel Grid-connected System[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(1):47-58.
张斌,张学广,徐殿国.构网型与跟网型变流器混联并网系统配比关键影响因素分析[J].电力系统自动化,2025,49(1):47-58. DOI： 10.7500/AEPS20240111006.

ZHANG Bin,ZHANG Xueguang,XU Dianguo.Analysis on Key Influence Factors of Ratio of Grid-forming and Grid-following Converters in Hybrid Parallel Grid-connected System[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(1):47-58. DOI： 10.7500/AEPS20240111006.

摘要

跟网型变流器在弱电网下存在次同步振荡失稳风险，构网型变流器可以改善混联系统在弱电网下次同步频段的稳定性。在新能源场站中可以适当配置构网型单元提高系统稳定性，故构网型/跟网型变流器的配比是影响系统稳定性的关键因素。文中针对构网型与跟网型变流器混联并网系统小干扰稳定性问题，研究了变流器控制系统特性对构网型变流器配比边界条件的影响。首先，建立了构网型与跟网型变流器混联并网系统的状态空间模型，在此基础上分析了构网型/跟网型变流器控制系统各关键参数以及构网型变流器中电压环控制结构对系统稳定性的影响。从保证系统次同步频段小干扰稳定的角度出发，分析了混联系统中构网型变流器配比下限的关键影响因素，得到了各影响因素约束下配比的稳定边界，并利用频域阻抗法对各影响因素的影响机理进行了解释。最后，基于RT-LAB半实物平台验证了理论分析的准确性。

Abstract

The grid-following converters have the risk of sub-synchronous oscillation (SSO) instability in the weak grid. The grid-forming converters can improve the stability of the hybrid parallel system in the sub-synchronous frequency range in the weak grid. The proper configuration of grid-forming units in renewable energy stations can enhance the system stability. Therefore

the ratio of grid-forming and grid-following converters is a key factor influencing the system stability. Aiming at the small-signal stability issue in the hybrid parallel grid-connected system with grid-forming and grid-following converters

this paper studies the influence of converter control system characteristics on the boundary conditions for the ratio of the grid-forming converter. First

the state space model of the hybrid parallel grid-connected system of grid-forming and grid-following converters is established. On this basis

this paper analyzes the influence of key parameters of grid-following/grid-forming control systems and the voltage loop control structures of grid-forming converter on the system stability. From the perspective of maintaining the small-signal stability of the system in the sub-synchronous frequency range

this paper analyzes the key influence factors for the lower limit of the ratio of grid-forming converters in the hybrid parallel system. The stability boundary under the constraint of each influence factor is obtained. In addition

the frequency-domain impedance method is used to explain the influence mechanism of each influence factor. Finally

the accuracy of the theoretical analysis is verified based on the RT-LAB semi-physical platform.

关键词

Keywords

references

高家元，黄帅，姜飞，等 . 弱电网下基于比例权重的控制环参数自适应调整并网逆变器稳定性提升方法［J/OL］. 电工技术学报［ 2024-03-30 ］. https：//doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.232043 https://doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.232043 .

GAO Jiayuan ， HUANG Shuai ， JIANG Fei ， et al . Stability improvement method of grid-connected inverter based on proportional weight control loop parameters adaptive adjustment under weak grid ［J/OL］. Transactions of China Electrotechnical Society ［ 2024-03-30 ］. https：//doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.232043 https://doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.232043 .

朱益华，罗超，余佳微，等 . 全功率直驱风机电网友好型控制策略［J］. 电力系统保护与控制， 2024 ， 52 （ 2 ）： 177 - 187 .

ZHU Yihua ， LUO Chao ， YU Jiawei ， et al . Grid-friendly control strategy of full power rated direct drive wind turbines ［J］. Power System Protection and Control ， 2024 ， 52 （ 2 ）： 177 - 187 .

陈露洁，徐式蕴，孙华东，等 . 高比例电力电子电力系统宽频带振荡研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 7 ）： 2297 - 2310 .

CHEN Lujie ， XU Shiyun ， SUN Huadong ， et al . A survey on wide-frequency oscillation for power systems with high penetration of power electronics ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 7 ）： 2297 - 2310 .

LI C ， YANG Y Q ， CAO Y J ， et al . Frequency and voltage stability analysis of grid-forming virtual synchronous generator attached to weak grid ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2022 ， 10 （ 3 ）： 2662 - 2671 .

RATHNAYAKE D B ， RAZZAGHI R ， BAHRANI B . Generalized virtual synchronous generator control design for renewable power systems ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2022 ， 13 （ 2 ）： 1021 - 1036 .

SUN P ， XU H ， YAO J ， et al . Dynamic interaction analysis and damping control strategy of hybrid system with grid-forming and grid-following control modes ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2023 ， 38 （ 3 ）： 1639 - 1649 .

XU Y Y ， NIAN H ， KANG J ， et al . Impedance-based analysis of potential stability risk between grid-forming and grid-following wind turbine systems ［C］// 2021 6th Asia Conference on Power and Electrical Engineering （ACPEE）， April 8-11 ， 2021 ， Chongqing， China ： 858 - 862 .

ZOU Z X ， TANG J ， WANG X F ， et al . Modeling and control of a two-bus system with grid-forming and grid-following converters ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2022 ， 10 （ 6 ）： 7133 - 7149 .

ROSSO R ， ENGELKEN S ， LISERRE M . Robust stability investigation of the interactions among grid-forming and grid-following converters ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2020 ， 8 （ 2 ）： 991 - 1003 .

刘朋印，刘辉，吴林林，等 . 满足全运行域振荡约束的跟网-构网组合控制及优化配置［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 12 ）： 139 - 146 .

LIU Pengyin ， LIU Hui ， WU Linlin ， et al . Grid-following and grid-forming combined control and optimization configuration to satisfy oscillatory constraints across whole operating region ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 12 ）： 139 - 146 .

雷雨，李光辉，王伟胜，等 . 跟网型和构网型新能源并网控制阻抗对比与振荡机理分析［J/OL］. 中国电机工程学报［ 2024-03-30 ］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20240124.1816.011.html https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20240124.1816.011.html .

LEI Yu ， LI Guanghui ， WANG Weisheng ， et al . Comparison of impedance characteristics and oscillation mechanism for grid following and grid forming renewable energy ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ［ 2024-03-30 ］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20240124.1816.011.html https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20240124.1816.011.html .

胡宇飞，田震，查晓明，等 . 构网型与跟网型变流器主导孤岛微网阻抗稳定性分析及提升策略［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 24 ）： 121 - 131 .

HU Yufei ， TIAN Zhen ， ZHA Xiaoming ， et al . Impedance stability analysis and promotion strategy of islanded microgrid dominated by grid-connected and grid-following converters ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 24 ）： 121 - 131 .

宗皓翔，张琛，鲍颜红，等 . 跟网型与构网型并网变换器系统的频域建模与同步视角交互稳定机理［J/OL］. 上海交通大学学报［ 2023-12-02 ］. https：//doi.org/10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.231 https://doi.org/10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.231 .

ZONG Haoxiang ， ZHANG Chen ， BAO Yanhong ， et al . Frequency-domain modeling and synchronization perspective interaction mechanism of GFL-GFM converter system ［J/OL］. Journal of Shanghai Jiao Tong University ［ 2023-12-02 ］. https：//doi.org/10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.231 https://doi.org/10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.231 .

王东泽，孙海顺，黄碧月，等 . 基于虚拟同步控制的电压源型直驱风电机组并网稳定性分析［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 8 ）： 3282 - 3294 .

WANG Dongze ， SUN Haishun ， HUANG Biyue ， et al . Analysis of grid-connected stability of voltage-source-type PMSG-based wind turbine based on virtual synchronous control ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 8 ）： 3282 - 3294 .

李翼翔，田震，唐英杰，等 . 考虑构网型与跟网型逆变器交互的孤岛微电网小信号稳定性分析［J］. 电力自动化设备， 2022 ， 42 （ 8 ）： 11 - 18 .

LI Yixiang ， TIAN Zhen ， TANG Yingjie ， et al . Small-signal stability analysis of island microgrid considering interaction between grid-forming converter and grid-following converter ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2022 ， 42 （ 8 ）： 11 - 18 .

WANG G Y ， LYU J ， RAO Y M . Small-signal stability analysis of hybrid wind farm with grid-following and grid-forming wind turbine generators ［C］// 2023 IEEE PELS Students and Young Professionals Symposium （SYPS）， August 27-29 ， 2023 ， Shanghai， China .

YANG C R ， HUANG L B ， XIN H H ， et al . Placing grid-forming converters to enhance small signal stability of PLL-integrated power systems ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2021 ， 36 （ 4 ）： 3563 - 3573 .

吴琛，刘晨曦，黄伟，等 . 提升新能源电力系统稳定性的构网型变流器选址定容方法［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 12 ）： 130 - 136 .

WU Chen ， LIU Chenxi ， HUANG Wei ， et al . Siting and sizing method of grid-forming converters for improving stability of power system with renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 12 ）： 130 - 136 .

罗澍忻，韩应生，余浩，等 . 构网型控制在提升高比例新能源并网系统振荡稳定性中的应用［J］. 南方电网技术， 2023 ， 17 （ 5 ）： 39 - 48 .

LUO Shuxin ， HAN Yingsheng ， YU Hao ， et al . Application of grid-forming control in improving the oscillation stability of power systems with high proportion renewable energy integration ［J］. Southern Power System Technology ， 2023 ， 17 （ 5 ）： 39 - 48 .

周于清，姚伟，宗启航，等 . 基于运行短路比的新能源场站中跟/构网可切换单元的最优配置方法［J］. 电网技术， 2024 ， 48 （ 3 ）： 1091 - 1104 .

ZHOU Yuqing ， YAO Wei ， ZONG Qihang ， et al . Optimal configuration of grid-following/grid-forming switchable units in new energy stations based on operating short-circuit ratio ［J］. Power System Technology ， 2024 ， 48 （ 3 ）： 1091 - 1104 .

洪国庆，吴国旸，金宇清，等 . 电力系统中风力发电建模仿真研究综述［J/OL］. 电力系统自动化［ 2024-06-20 ］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20240520.1029.004.html https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20240520.1029.004.html .

HONG Guoqing ， WU Guoyang ， JIN Yuqing ， et al . Review on research of modeling and simulation for wind power generation in power system ［J/OL］. Automation of Electric Power Systems ［ 2024-06-20 ］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20240520.1029.004.html https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20240520.1029.004.html .

IEEE guide for planning DC links terminating at AC locations having low short-circuit capacities： IEEE Std 1204—1997 ［S］. 1997 .

李光辉，王伟胜，刘纯，等 . 直驱风电场接入弱电网宽频带振荡机理与抑制方法（一）：宽频带阻抗特性与振荡机理分析［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 22 ）： 6547 - 6562 .

LI Guanghui ， WANG Weisheng ， LIU Chun ， et al . Mechanism analysis and suppression method of wideband oscillation of PMSG wind farms connected to weak grid（part Ⅰ）： analysis of wideband impedance characteristics and oscillation mechanism ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 22 ）： 6547 - 6562 .

刘欣，郭志博，贾焦心，等 . 基于序阻抗的虚拟同步发电机并网稳定性分析及虚拟阻抗设计［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 15 ）： 4130 - 4146 .

LIU Xin ， GUO Zhibo ， JIA Jiaoxin ， et al . Stability analysis and virtual impedance design of virtual synchronous machine based on sequence impedance ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 15 ）： 4130 - 4146 .

程诗尧，王芳，李雪城，等 . 虚拟同步发电机稳定性分析与参数设计［J］. 电气传动， 2021 ， 51 （ 2 ）： 51 - 57 .

CHENG Shiyao ， WANG Fang ， LI Xuecheng ， et al . Stability analysis and parameter designing for virtual synchronous generator ［J］. Electric Drive ， 2021 ， 51 （ 2 ）： 51 - 57 .

WANG X C ， FU J ， SHI Z H ， et al . Parameter design method of virtual synchronous generator in microgrid base on loop bandwith ［C］// 2021 6th International Conference on Power and Renewable Energy （ICPRE）， September 17-20 ， 2021 ， Shanghai， China ： 428 - 433 .

李崇涛，曾锋，杜正春，等 . 基于状态空间方法的频域阻抗计算及其灵敏度分析方法［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 2 ）： 621 - 629 .

LI Chongtao ， ZENG Feng ， DU Zhengchun ， et al . Calculation of frequency domain impedance of PMSG based on state space and its sensitivity analysis method ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 2 ）： 621 - 629 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

构网型变流器并网系统中功率同步环与端电压环相互作用分析

弱电网下跟/构网型变流器并联系统的阻抗频率耦合及稳定性分析

高渗透率新能源发电并网变流器跟网/构网混合模式控制综述

构网型变流器功率同步控制稳定性机理分析