考虑虚拟阻抗功率解耦的构网型变流器暂态稳定分析及控制

孟潇潇; 王煜琛; 毛荀; 解宝; 邵冰冰

doi:10.7500/AEPS20240304001

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

考虑虚拟阻抗功率解耦的构网型变流器暂态稳定分析及控制

学术研究 | 更新时间：2025-06-16

- 考虑虚拟阻抗功率解耦的构网型变流器暂态稳定分析及控制
- Transient Stability Analysis and Control of Grid-forming Converter Considering Virtual Impedance Power Decoupling
- 电力系统自动化 2024年48卷第24期页码：101-111
- 作者机构：
  
  1.新能源利用与节能安徽省重点实验室（合肥工业大学），安徽省合肥市 230009
  2.国网安徽省电力科学研究院，安徽省合肥市 230000
- 作者简介：
  
  孟潇潇(1992—)，男，通信作者，博士，讲师，硕士生导师，主要研究方向：新型电力系统稳定分析与控制。E-mail：mxxfreedom@hfut.edu.cn
  王煜琛(2000—)，男，硕士研究生，主要研究方向：电力电子化电力系统稳定分析。E-mail：2022110369@mail.hfut.edu.cn
  毛荀(1989—)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向：电力系统运行与仿真分析。E-mail：maox0670@ah.sgcc.com.cn
- 基金信息：
  
  安徽省自然科学基金资助项目(2108085UD09);国家自然科学基金资助项目(52207087)
- DOI：10.7500/AEPS20240304001
  中图分类号：
- 收稿：2024-03-04，
  
  修回：2024-08-27，
  
  网络出版：2024-11-06，
  
  纸质出版：2024-12-25
- 稿件说明：
移动端阅览
孟潇潇,王煜琛,毛荀等.考虑虚拟阻抗功率解耦的构网型变流器暂态稳定分析及控制[J].电力系统自动化,2024,48(24):101-111.

MENG Xiaoxiao,WANG Yuchen,MAO Xun,et al.Transient Stability Analysis and Control of Grid-forming Converter Considering Virtual Impedance Power Decoupling[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(24):101-111.
孟潇潇,王煜琛,毛荀等.考虑虚拟阻抗功率解耦的构网型变流器暂态稳定分析及控制[J].电力系统自动化,2024,48(24):101-111. DOI： 10.7500/AEPS20240304001.

MENG Xiaoxiao,WANG Yuchen,MAO Xun,et al.Transient Stability Analysis and Control of Grid-forming Converter Considering Virtual Impedance Power Decoupling[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(24):101-111. DOI： 10.7500/AEPS20240304001.

摘要

虚拟阻抗控制有助于改善构网型变流器因阻性线路引起的功率耦合问题，同时还能在电网发生故障时启动以起到限流作用。虚拟阻抗的引入深刻影响故障大扰动下构网型变流器的暂态同步稳定性，目前尚缺少针对上述影响的稳定量化分析方法。因此，文中首先建立构网型变流器并网系统考虑虚拟阻抗控制前后的经典三阶降阶动态模型。然后，结合拉萨尔不变性原理构建考虑虚拟阻抗功率解耦的改进能量函数。分析表明，改进能量函数能通过吸引域量化评估虚拟阻抗参数对暂态稳定性的影响。基于此，提出一种考虑虚拟阻抗功率解耦的构网型变流器暂态稳定优化控制策略，以提高其暂态同步稳定性。最后，仿真和实验结果验证了所提优化控制策略的有效性。

Abstract

The virtual impedance control is helpful in reducing the power coupling problem of grid-forming converters caused by resistive lines. It can also be activated to play the role of current limitation in the case of grid fault. The introduction of virtual impedance profoundly affects the transient synchronous stability of grid-forming converters under large disturbances of faults. At present

there is no stable quantitative analysis method for these effects. Therefore

this paper establishes the classical third-order reduced-order dynamic model for the grid-connected system of grid-forming converters with virtual impedance control. Then

an improved energy function considering virtual impedance power decoupling is constructed based on the LaSalle’s invariance principle. The analysis shows that the improved energy function can evaluate the effect of the virtual impedance parameters on the transient stability by quantifying the attraction domain. Based on this

this paper proposes a transient stability optimal control strategy of grid-forming converters considering the virtual impedance power decoupling to improve the transient synchronous stability of grid-forming converters. Finally

the simulation and experimental results verify the effectiveness of the proposed optimal control strategy.

关键词

Keywords

references

许诘翊，刘威，刘树，等 . 电力系统变流器构网控制技术的现状与发展趋势［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 9 ）： 3586 - 3595 .

XU Jieyi ， LIU Wei ， LIU Shu ， et al . Current state and development trends of power system converter grid-forming control technology ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 9 ）： 3586 - 3595 .

黄林彬，辛焕海，鞠平，等 . 电力电子并网装备的同步稳定分析与统一同步控制结构［J］. 电力自动化设备， 2020 ， 40 （ 9 ）： 10 - 25 .

HUANG Linbin ， XIN Huanhai ， JU Ping ， et al . Synchronization stability analysis and unified synchronization control structure of grid-connected power electronic devices ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2020 ， 40 （ 9 ）： 10 - 25 .

黄萌，舒思睿，李锡林，等 . 面向同步稳定性的电力电子并网变流器分析与控制研究综述［J］. 电工技术学报， 2024 ， 39 （ 19 ）： 5978 - 5994 .

HUANG Meng ， SHU Sirui ， LI Xilin ， et al . A review of synchronization-stability-oriented analysis and control of power electronic grid-connected converters ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2024 ， 39 （ 19 ）： 5978 - 5994 .

FU X K ， HUANG M ， PAN S Z ， et al . Cascading synchronization instability in multi-VSC grid-connected system ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2022 ， 37 （ 7 ）： 7572 - 7576 .

邹赵悦，吴超，王勇，等 . 基于等效同步功率的孤岛并联构网变流器系统暂态稳定性分析［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 2 ）： 140 - 150 .

ZOU Zhaoyue ， WU Chao ， WANG Yong ， et al . Transient stability analysis of islanded system with parallel grid-forming converters based on equivalent synchronous power ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 2 ）： 140 - 150 .

王新宝，葛景，韩连山，等 . 构网型储能支撑新型电力系统建设的思考与实践［J］. 电力系统保护与控制， 2023 ， 51 （ 5 ）： 172 - 179 .

WANG Xinbao ， GE Jing ， HAN Lianshan ， et al . Theory and practice of grid-forming BESS supporting the construction of a new type of power system ［J］. Power System Protection and Control ， 2023 ， 51 （ 5 ）： 172 - 179 .

丁一凡，季亮，常潇，等 . 不对称电压跌落下虚拟同步机改进低电压穿越控制策略［J］. 电力系统保护与控制， 2022 ， 50 （ 16 ）： 76 - 85 .

DING Yifan ， JI Liang ， CHANG Xiao ， et al . Improved low voltage ride-through control strategy of a virtual synchronous generator during unbalanced voltage sags ［J］. Power System Protection and Control ， 2022 ， 50 （ 16 ）： 76 - 85 .

FU X K ， SUN J J ， HUANG M ， et al . Large-signal stability of grid-forming and grid-following controls in voltage source converter： a comparative study ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 7 ）： 7832 - 7840 .

LIU T ， WANG X F . Transient stability of single-loop voltage-magnitude controlled grid-forming converters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 6 ）： 6158 - 6162 .

SHUAI Z K ， SHEN C ， LIU X ， et al . Transient angle stability of virtual synchronous generators using Lyapunov’s direct method ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 4 ）： 4648 - 4661 .

姜卫同，胡鹏飞，尹瑞，等 . 基于虚拟同步机的变流器暂态稳定分析及混合同步控制策略［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 22 ）： 124 - 133 .

JIANG Weitong ， HU Pengfei ， YIN Rui ， et al . Transient stability analysis and hybrid synchronization control strategy of converter based on virtual synchronous generator ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 22 ）： 124 - 133 .

邵雅宁，唐飞，刘涤尘，等 . 一种适用于WAMS量测数据的系统暂态功角稳定评估方法［J］. 电力系统保护与控制， 2015 ， 43 （ 6 ）： 33 - 39 .

SHAO Yaning ， TANG Fei ， LIU Dichen ， et al . An approach of transient angle stability assessment in power system for WAMS measured data ［J］. Power System Protection and Control ， 2015 ， 43 （ 6 ）： 33 - 39 .

张静怡，田震，李锡林，等 . 考虑阻尼影响的虚拟同步发电机暂态同步稳定性量化分析［J/OL］. 电力系统自动化［ 2024-07-18 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20240617.2227.004.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20240617.2227.004.html .

ZHANG Jingyi ， TIAN Zhen ， LI Xilin ， et al . Quantitative analysis of transient synchronous stability of virtual synchronous generator considering damping effect ［J/OL］. Automation of Electric Power Systems ［ 2024-07-18 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20240617.2227.004.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20240617.2227.004.html .

王雪梅，王艺博，刘雨桐，等 . 基于虚拟电抗的主动支撑型新能源机组低电压穿越控制方法［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 11 ）： 4435 - 4444 .

WANG Xuemei ， WANG Yibo ， LIU Yutong ， et al . Low voltage ride-through control of actively-supported new energy unit based on virtual reactance ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 11 ）： 4435 - 4444 .

WANG X F ， TAUL M G ， WU H ， et al . Grid-synchronization stability of converter-based resources—an overview ［J］. IEEE Open Journal of Industry Applications ， 2020 ， 1 ： 115 - 134 .

YANG J X ， TSE C K ， HUANG M ， et al . Homoclinic bifurcation of a grid-forming voltage source converter ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 11 ）： 13176 - 13187 .

BRETAS N G ， ALBERTO L F C . Lyapunov function for power systems with transfer conductances： extension of the invariance principle ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2003 ， 18 （ 2 ）： 769 - 777 .

付熙坤，黄萌，凌扬坚，等 . 功率耦合和电流限幅影响下构网型变流器的暂态同步稳定分析［J］. 中国电机工程学报， 2024 ， 44 （ 7 ）： 2815 - 2825 .

FU Xikun ， HUANG Meng ， LIN Yangjian ， et al . Transient synchronization stability analysis of grid-forming converter influenced by power-coupling and current-limiting ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2024 ， 44 （ 7 ）： 2815 - 2825 .

袁小明，程时杰，胡家兵 . 电力电子化电力系统多尺度电压功角动态稳定问题［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 19 ）： 5145 - 5154 .

YUAN Xiaoming ， CHENG Shijie ， HU Jiabing . Multi-time scale voltage and power angle dynamics in power electronics dominated large power systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 19 ）： 5145 - 5154 .

年珩，教煐宗，孙丹 . 基于虚拟同步机的并网逆变器不平衡电压灵活补偿策略［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 3 ）： 123 - 129 .

NIAN Heng ， JIAO Yingzong ， SUN Dan . Flexible compensation strategy of unbalanced voltage for grid-connected inverter based on virtual synchronous generator ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 3 ）： 123 - 129 .

ZHANG Y ， ZHANG C ， YANG R X ， et al . Current-constrained power-angle characterization method for transient stability analysis of grid-forming voltage source converters ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2023 ， 38 （ 2 ）： 1338 - 1349 .

WEN T L ， ZHU D H ， ZOU X D ， et al . Power coupling mechanism analysis and improved decoupling control for virtual synchronous generator ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 3 ）： 3028 - 3041 .

TAUL M G ， WANG X F ， DAVARI P ， et al . Current limiting control with enhanced dynamics of grid-forming converters during fault conditions ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2020 ， 8 （ 2 ）： 1062 - 1073 .

张平，石健将，李荣贵，等 . 低压微网逆变器的“虚拟负阻抗” 控制策略［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 12 ）： 1844 - 1852 .

ZHANG Ping ， SHI Jianjiang ， LI Ronggui ， et al . A control strategy of ‘virtual negative’ impedance for inverters in low-voltage microgrid ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 12 ）： 1844 - 1852 .

杜燕，朱轲，杨向真，等 . 考虑频率耦合的VSG虚拟阻抗优化设计［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 12 ）： 5057 - 5067 .

DU Yan ， ZHU Ke ， YANG Xiangzhen ， et al . Optimal design of virtual synchronous generator virtual impedance considering frequency coupling ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 12 ）： 5057 - 5067 .

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

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

端口能量及其在风电系统暂态稳定分析中的应用