构网场景下SVI多机并联功频振荡分析及抑制.pdf
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1、现代电子技术Modern Electronics Technique2023年10月1日第46卷第19期Oct.2023Vol.46 No.190 引 言随着我国双碳目标的提出,作为能源转型的核心力量,新能源将取代传统能源逐步发展成为主力支撑电源1。与此同时,能源接口装置也要从传统的同步发电机逐步转向并网逆变器等电力电子装置,由此带来了一系列电力系统中的稳定性问题,其中新能源发电的振荡问题尤为突出。当下并网逆变器的主要控制策略为虚DOI:10.16652/j.issn.1004373x.2023.19.024引用格式:陈伟,周少泽,雷心宇,等.构网场景下SVI多机并联功频振荡分析及抑制J.现代
2、电子技术,2023,46(19):129134.构网场景下SVI多机并联功频振荡分析及抑制陈 伟1,2,周少泽1,雷心宇1,宋昕哲1,韦 徵1,王 伟1(1.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司,江苏 南京 210000;2.南京师范大学 电气与自动化工程学院,江苏 南京 210000)摘 要:随着新能源发电的占比不断提高,电力系统振荡问题日趋严重。文中针对构网场景下自同步电压源逆变器(SVI)多机并联出现的功频振荡问题展开分析。首先,基于 SVI的控制策略通过小信号模型详细分析了多机并联的振荡机理,得出振荡的主要原因为SVI之间参数不一致,其中主要影响参数有惯量系数、有功下垂系数和线路电抗
3、;然后,基于功率微分的预知特性提出一种互阻尼振荡抑制策略,利用功率微分项实时反馈校正有功参考可以起到功率阻尼的作用,无需相邻机组之间通信即可达到抑制振荡的效果,提高了系统的稳定性和可靠性;同时基于系统传递函数的根轨迹给出互阻尼参数的设计方法;最后,通过仿真验证了机理分析的正确性和抑制策略的有效性。关键词:新能源发电;自同步电压源;SVI;多机并联;功频振荡;小信号模型;根轨迹中图分类号:TN75134;TM464 文献标识码:A 文章编号:1004373X(2023)19012906Analysis and suppression of powerfrequency oscillation o
4、f SVI multiunit parallel connection under gridforming scenarioCHEN Wei1,2,ZHOU Shaoze1,LEI Xinyu1,SONG Xinzhe1,WEI Zheng1,WANG Wei1(1.NARI Group Corporation(State Grid Electric Power Research Institute),Nanjing 210000,China;2.School of Electrical and Automation Engineering,Nanjing Normal University,
5、Nanjing 210000,China)Abstract:With the increasing share of new energy generation,the power system oscillation problem is becoming more and more serious.In this paper,the powerfrequency oscillation problem of the selfsynchronous voltagesource inverter(SVI)multiunit parallel connection under the gridf
6、orming scenario is analyzed.On the basis of the SVI control strategy,the oscillation mechanism of multiunit parallel connection is analyzed in detail by means of a smallsignal model,and it is concluded that the main cause of oscillation is the inconsistency of SVI parameters,among which the main inf
7、luencing parameters are inertia coefficient,active sag coefficient and line reactance.Then,a mutual damping oscillation suppression strategy is proposed based on the predictive property of power differential.Realtime feedback and correction of the active reference by power differential term can play
8、 the role of power damping,and the oscillation can be suppressed without the communication between adjacent units,which improve the stability and reliability of the system.Meanwhile,the design method of mutual damping parameters is given based on the root locus of the system transfer function.The co
9、rrectness of the mechanism analysis and the effectiveness of the suppression strategy are verified by simulation.Keywords:renewable energy generation;self synchronous voltage source;SVI;multi unit parallel connection;power frequency oscillation;smallsignal model;root locus收稿日期:20230515 修回日期:20230531
10、基金项目:国家重点研发计划项目(2022YFB2402700);国家电网公司科学技术项目:计及暂态控制切换特性的构网型新能源发电单元并网稳定性分析与镇定技术研究129129现代电子技术2023年第46卷拟同步机(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制2,它既可以满足弱网下的并网条件,又可以主动提供电压和频率支撑,同时以改进 VSG 为控制核心的自同步电压源逆变器(Selfsynchronous Voltagesource Inverter,SVI)已成为当下研究的热点之一3。因此,在基于 VSG控制的新能源发电振荡问题分析的基础上,有必要针对基于SVI的发电系
11、统振荡问题作进一步分析。已有大量文献对新能源发电系统振荡问题进行分析并提出抑制策略。当下针对振荡问题的分析方法主要为小信号分析法。文献4应用阻抗法分析了 VSG的振荡机理,并提出一种虚拟电阻法来提高并网稳定性。文献5通过建立 VSG的小信号模型分析了关键参数对系统性能的影响,并以此为指导优化参数设计。文献6应用小信号模型分析了 VSG 多机并联的功频振荡问题,并提出一种基于分布式通信的互阻尼控制策略来抑制振荡。当下针对振荡问题的抑制策略主要有参数优化法、阻抗重塑法和系统级优化法。文献7建立了VSG的序阻抗模型并对不同参数下的稳定性进行分析,可为参数优化提供参考。文献8基于并网稳定性和功率输出能
12、力提出一种简化的虚拟阻抗参数设计方法。参数优化法可以在一定程度内降低系统振荡,但其抑制能力有一定局限性。文献9提出一种自适应虚拟阻抗来重塑阻抗结构,从而达到多机并联振荡抑制的效果。文献10提出一种基于公共点频率反馈的互阻尼抑制策略,这有助于加快频率收敛从而抑制了功率和频率振荡。这两种方法都需要与相邻机组之间通信。文献11提出了一种抑制多 VSG并联时功率振荡的分散互阻尼控制策略,在无需相邻机组通信的条件下实现了振荡抑制,可以减少因通信产生的故障。文献12提出一种基于附加阻尼控制的 STATCOM 抑制 DFIG 经串补送出时的次同步振荡问题,但是这种方法工程复杂、成本高。基于上述文献分析,本文
13、针对构网场景下 SVI多机并联振荡问题,首先,利用小信号模型分析了多机并联的振荡机理;然后,提出一种基于功率微分的互阻尼振荡抑制策略,所提方法无需相邻机组间的通信,提高系统可靠性的同时降低了工程成本;最后,仿真验证了振荡机理分析的正确性与抑制策略的有效性。1 SVI多机并联振荡机理分析1.1 SVI基本原理SVI控制策略以改进 VSG控制为核心,同时添加虚拟阻抗部分以优化电流输出特性13。有功调节部分、无功调节部分和虚拟阻抗部分如下所示:Pref-Pe+Dpn()n-JnddtEm=Dq()Vn-Vo+()Qref-Qe(Ks)(1)式中:Pref为有功参考;Pe为输出有功;Dp为频率有功下垂
14、系数;J为转动惯量;为生成角频率;n为额定角频率;Em为生成内电势;Qref为无功参考;Qe为无功功率;Dq为电压无功下垂系数;K为无功积分系数;Vn为额定电压幅值;Vo为输出电压幅值。将 SVI输出电压引入虚拟阻抗以得到电流内环参考,经过电流内环后生成调制信号。具体SVI主电路及控制策略如图1所示。图1 SVI基本原理1.2 振荡机理分析构网场景下 SVI多机并联系统结构如图 2所示,为便于分析,将多机并联至同一条交流母线上。SVI为构网系统提供稳定的电压与频率支撑,然而当SVI机组之间的控制参数不一致时,负载变化将导致系统发生功频振荡。以下将根据负载变化对输出频率的影响,研究多机并联的振荡
15、机理。由式(1)可得第i台SVI的有功特性:Pei=-Dpini-Jinsi(2)由此可得第i台 SVI 的有功功率频率响应的传递函数:G1i(s)=iPei=-1Jins+Dpin(3)130第19期忽略线路阻抗电阻RLi,可得第i台SVI的输出功率:Pei=VoiEpXLii(4)式中:Vo和Ep分别为 SVI 的输出电压和母线电压;为SVI输出相角;XL为线路电抗。令Ki=VoiEpXLi,对 SVI 小信号线性化,可得第i台 SVI的小信号模型:Pei=VoiEpXLii=Kii-ps(5)式中p为公共点频率。将式(3)代入式(5),可得第i台SVI公共点频率输出功率响应的传递函数:G
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