合肥工業(yè)大學（李明）：新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)報告

研究方向主要從事新能源利用與分布式發(fā)電技術(shù)的相關(guān)研究，包括：李明李明ECCEAsia會議最佳論文秀論文/最佳報告人獎、期作為項目負責人主持國家自然科學基金青年項目、國家重點研發(fā)計劃項目子研究課題和中國博士后科學基金面上項目等教育和工作經(jīng)歷本科合肥工業(yè)大學·專業(yè)：電氣工程及其自動化·專業(yè)：電氣工程導師：張興教授(二級教授)博士后清華大學合肥工景大琴2024年第21屆中國電氣自動化與電控系統(tǒng)學術(shù)年會新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)1:景大學提綱二、傳統(tǒng)跟網(wǎng)型并網(wǎng)穩(wěn)定問題三、傳統(tǒng)構(gòu)網(wǎng)型并網(wǎng)穩(wěn)定問題3合肥工紫大學1.研究背景·隨著全球范圍內(nèi)化石能源的日益枯竭，以光伏、風電等為代表的清潔新能源正越來越受關(guān)注光伏碳匯量-碳排光伏碳中和0化石能源0新能源發(fā)電容量預測及“雙碳”戰(zhàn)略示意圖45合肥工紫大學1.研究背景·目前，我國蒙東、甘肅、寧夏、新疆等部分地區(qū)的新能源滲透率已經(jīng)高于100%,超過了丹麥、西班牙、葡萄牙等發(fā)達國家√定義1(使用最廣泛)[1]ofPhotovoltaicGeneration:ACaseStudy,"IEEETransactionsonSustainableE合肥工紫大學1.研究背景形成末端弱電網(wǎng)的主要因素：較長的輸電線路3廣泛應用的變壓器大量的電力電較長的輸電線路3廣泛應用的變壓器向電網(wǎng)引入了不可忽略的等效阻抗，且往往大幅波動新能源發(fā)電站發(fā)電單元接入點變壓器公共耦合點長輸電線路長輸電線路變壓器公共電網(wǎng)新能源發(fā)電站接入點并網(wǎng)變流器接入點接入點并網(wǎng)變流器高滲透率新能源發(fā)電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)6合肥工紫大夢提綱一、研究背景一、研究背景7合肥工紫大學2、傳統(tǒng)跟網(wǎng)型并網(wǎng)穩(wěn)定問題·目前，大部分并網(wǎng)逆變器采用跟網(wǎng)型并網(wǎng)模式，其原因有：5)多機并聯(lián)的抗擾性強Laeoabc系控制8合肥工紫大學2、傳統(tǒng)跟網(wǎng)型并網(wǎng)穩(wěn)定問題>電網(wǎng)阻抗大幅波動，導致跟網(wǎng)型控制并網(wǎng)穩(wěn)定性問題>電網(wǎng)電壓前饋、PLL環(huán)節(jié)和電網(wǎng)阻抗的交互耦合都將對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響幅值(幅值(dB)059合肥工紫大夢提綱合肥工紫大學3.傳統(tǒng)構(gòu)網(wǎng)型并網(wǎng)穩(wěn)定問題3.1為什么要采用構(gòu)網(wǎng)型并網(wǎng)?制。其優(yōu)點有：1)高電網(wǎng)阻抗的弱電網(wǎng)條件下，構(gòu)網(wǎng)型控制穩(wěn)定裕度更大2)構(gòu)網(wǎng)型控制可以脫離大電網(wǎng)而獨立組網(wǎng)運行WCqref→+dWCefPPPiTransactionsonPowerElectronics,2009,24(9):2178-2192.合肥工紫大夢3.傳統(tǒng)構(gòu)網(wǎng)型并網(wǎng)穩(wěn)定問題1)弱網(wǎng)下功率響應慢，難以準確實現(xiàn)最大功率點跟3)電網(wǎng)阻抗大幅波動時，構(gòu)網(wǎng)型逆變器在電網(wǎng)阻抗較小(強網(wǎng))時容易發(fā)生振蕩4)多機之間的功率抗擾性變差、耦合變強0時間/s合肥工紫大夢提綱合肥工紫大學4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)■問題的引出求等復雜工況靈活切入切出，且希望不影響系統(tǒng)的正常運行，即新能源設備期望具備即插即用的功能。公共電網(wǎng)公共電網(wǎng)站輸電線發(fā)電單元接入點發(fā)電單元接入點發(fā)單元接入點電站變壓器POC電站接入點電站接入點-新能源新能源并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)逆變器■即插即用帶來的問題?不同于電網(wǎng)阻抗引起的寬頻振蕩特性，即插即用引起工作點非線性變化，體現(xiàn)為在原來的工作點并網(wǎng)電流不出現(xiàn)寬頻振蕩，而在工作點變化后發(fā)生具備非線性頻移特性的寬頻振蕩。#1Inverter#1,#2InverterConnectedtoPCCConnecte0在工作點鄰域范圍內(nèi)，傳統(tǒng)PI控制等線性方法通過合理設計PI參數(shù)，可增強魯棒性。但即插即用引發(fā)工作點出現(xiàn)非線性變化，會出現(xiàn)適應能力不足的問題合肥工紫大學4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)并網(wǎng)逆變器本身是一個復雜的多輸入多輸出非線性系統(tǒng)，并且受到即插即用導致設備隨機投切等因素的影響，電網(wǎng)特性呈現(xiàn)非線性變化，采用傳統(tǒng)線性理論設計的跟網(wǎng)型或構(gòu)網(wǎng)型控制仍舊難以適應。電網(wǎng)電壓鎖相PowerSinchronization電壓前饋abcfvsMDroop-Controlledf電網(wǎng)電壓相位f+MCdeffiLiefPPuk基于線性基于線性PI控制器的跟網(wǎng)和構(gòu)網(wǎng)型逆變器典型結(jié)構(gòu)示意圖合肥工紫大學4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)■無源性理論——解決上述問題提供一種可行的理論工具：·無源性理論指出：由無源子系統(tǒng)任意并聯(lián)形成的新系統(tǒng)也是無源的，因而也是穩(wěn)定的(保證了單機擴展到多機系統(tǒng)仍舊穩(wěn)定)。rrRpp<0Pumping一互聯(lián)無源系統(tǒng)示意圖如果要使得能量的最小點處為期望值，可采用端口受控哈密頓方程(PCH)進行無源控制器設計；并通過選擇哈密頓能量函數(shù)作為Lyapunov函數(shù)，能夠直接證明系統(tǒng)穩(wěn)定性。然而，作為一種基于模型的控制方案，無源控制器控制性能高度依賴于控制模型的精度。逆變器即插即用會帶來電網(wǎng)結(jié)構(gòu)/參數(shù)變化，將會引起無源控制系統(tǒng)抗擾能力下降。口思路引出·獲取電網(wǎng)結(jié)構(gòu)/參數(shù)變化引發(fā)的擾動：·是否可在通過引入非線性擾動觀測器算法，來獲取擾動補償?shù)綗o源控制器中，提升系統(tǒng)抗擾能力?采用非線性觀測器，提出基于無源性理論的跟網(wǎng)型逆變器分布式穩(wěn)定控制策略，在即插即用情況下，系統(tǒng)TiTi采樣.采樣.p辨識基于無源性理論的跟網(wǎng)型逆變器分布式穩(wěn)定控制示意圖關(guān)鍵技術(shù)1(無源控制器環(huán)路設計):該環(huán)路是整個控制策略的基礎多機時整個系統(tǒng)的無源性和穩(wěn)定性。xx采樣環(huán)路采樣無源控制環(huán)路無源控制環(huán)路x阻尼動態(tài)協(xié)同環(huán)路合肥工紫大學4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)■無源控制器的設計過程從單機兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的控制方程出發(fā)，建立以并網(wǎng)電感電流為控制對象的合肥工紫大學4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)■無源控制器的設計過程得能量的最小點處為期望值。通過聯(lián)立期望的閉環(huán)系統(tǒng)PCH方程求解無源開環(huán)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)：閉環(huán)哈密頓函數(shù)：期望的互聯(lián)矩陣和阻尼矩陣為：Q=diag[L,L,1]ξ=[-ugd/L,-ugo/L,-uaeidc]T.合肥工紫大學4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)2(非線性觀測器環(huán)路設計):該環(huán)路輸出是即插即用帶來的非線性擾動的估計值，輸入到無源控制環(huán)路，這樣可以提升逆變器的抗擾能力。xP環(huán)路xPuu環(huán)路合肥工紫大學4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)所提適用于跟網(wǎng)型逆變器的非線性觀測器基于統(tǒng)—PCH模型，實現(xiàn)了觀測器和無源控制器相互融合設計，保證引入觀測器之后的◆引入的虛擬等效電壓源將逆變器即插即用等外界電網(wǎng)結(jié)構(gòu)/參數(shù)變化引起的并網(wǎng)點電壓變化反映到觀測器輸出中。合肥工紫大夢4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)■穩(wěn)定性證明：Pud10■結(jié)合非線性觀測器后的無源控制律：通過引入所提非線性觀測器，可解得單機系統(tǒng)下的無源控制律。無源控制律的非線性通過狀態(tài)變量的乘積體現(xiàn)在表達式中。u?=Wgo0-T?r+e?(ra+r)+(e?-x合肥工紫大學4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)3(阻尼動態(tài)協(xié)同環(huán)路):單機擴展到多機時，該環(huán)路實現(xiàn)自適應地調(diào)整阻尼以保證系統(tǒng)良好的動態(tài)性能。xP采樣環(huán)路P采樣uX無源控制環(huán)路uX阻尼動態(tài)協(xié)同環(huán)路基于無源性理論的跟網(wǎng)型逆變器分布式穩(wěn)定控制簡化示意圖合肥工紫大學4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)■為何要設計自適應動態(tài)協(xié)同環(huán)路?·無通訊方案：直接利用局部測量信息，預先設置協(xié)作規(guī)則(的相互協(xié)調(diào)。合肥工紫大學4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)■協(xié)作規(guī)則(指標)選取動態(tài)性能。3二d軸電流/Ad軸電流/A23d軸電流/Ad軸電流/A23二d軸電流/Ad軸電流/A2一一時間/s合肥工紫大夢4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)■協(xié)作規(guī)則(指標)選取所提自適應協(xié)同控制實施方法：當電網(wǎng)阻抗波動時，每臺逆變器將根據(jù)預先定義的非線性下垂曲線設置阻尼，以確保多逆變器設備無通信情況下的整體動態(tài)性能。構(gòu)建阻尼系數(shù)ra與電網(wǎng)阻抗之間的關(guān)系(非線性下垂曲線):ra=f(Lg)在多逆變器系統(tǒng)中的第n臺逆變器(低輸出功率)1阻尼系數(shù)r。與電網(wǎng)阻抗之間的關(guān)系(非線性下垂曲線)合肥工紫大學4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)高電網(wǎng)阻抗情況下，采用傳統(tǒng)PI控制時電網(wǎng)電流出現(xiàn)振蕩，且伴隨設備投切發(fā)生非線性頻移。當采用所提出無源控制方案時，振蕩現(xiàn)象消傳統(tǒng)PI控制提出的控制策略(16ms/Div)1#逆變器并網(wǎng)電流in(5A/1#逆變器并網(wǎng)電流in(5A/Div)實驗結(jié)果：采用傳統(tǒng)PI控制和所提無源控制的實驗結(jié)果合肥工紫大學4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)動態(tài)性能驗證：自適應動態(tài)阻尼環(huán)路)固定阻尼注入方法(a)采用傳統(tǒng)的固定阻尼注入所提自適應阻尼注入方法b)采用所提自適應動態(tài)阻尼注入在具有不同阻尼控制回路的雙并聯(lián)逆變器系統(tǒng)中，#1逆變器電網(wǎng)電流階躍響應的實驗波形合肥工紫大夢提綱1)在接入電網(wǎng)的高滲透率新能源發(fā)電末端弱電網(wǎng)中，跟網(wǎng)型控制技術(shù)經(jīng)過改進，仍是經(jīng)濟性較好的主流并網(wǎng)控制方案；2)采用構(gòu)網(wǎng)型控制技術(shù)可有效提升新能源場站系統(tǒng)弱網(wǎng)運行穩(wěn)定性；3)隨著新能源滲透率的進一步提升，基于無源性的新能源集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)將逐步提升占有率而發(fā)揮更大作用。合肥工景大