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

2024年第21屆中國電氣自動(dòng)化與電控系統(tǒng)學(xué)術(shù)年會(huì)新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)李明副教授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：·新能源并網(wǎng)與新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法·多逆變器電站的分布式協(xié)同穩(wěn)定控制技術(shù)主持的科研項(xiàng)目作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子研究課題和中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目等教育和工作經(jīng)歷本科合肥工業(yè)大學(xué)碩博連讀博士后合肥工業(yè)大學(xué)(免試)導(dǎo)師：張興教授(二級(jí)教授)清華大學(xué)·專業(yè)：控制科學(xué)與工程導(dǎo)師：耿華教授(IEEEFellow,長江學(xué)者)3五、小結(jié)五、小結(jié)4合肥工紫大等1.研究背景口研究背景——新能源發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用億噸億噸時(shí)刻時(shí)刻時(shí)刻0化石能源202520252030203520402045口研究背景——高滲透率新能源發(fā)電現(xiàn)狀0ofPhotovoltaicGeneration:ACaseStudy,"IEEETransactionsonSustainableEnergy,vol.4,no.4.pp6大量的電力電子逆變器設(shè)備較長的輸電線路廣泛應(yīng)用的變壓器新能源發(fā)電站長輸電線路公共耦合點(diǎn)新能源發(fā)電站長輸電線路單元變壓器單元變壓器新能源發(fā)電站發(fā)電單元新能源發(fā)電站接入點(diǎn)變壓器變壓器變壓器接入點(diǎn)接入點(diǎn)接入點(diǎn)并網(wǎng)變流器_并網(wǎng)變流器7合肥工紫大等提綱五、小結(jié)五、小結(jié)8合肥工紫大等傳統(tǒng)跟網(wǎng)型并網(wǎng)穩(wěn)定問題2.1為什么采用跟網(wǎng)型并網(wǎng)模式?1)發(fā)電機(jī)是容量足夠大的電壓源2)為了最大限度地利用新能源發(fā)電(MPPT)3)并網(wǎng)控制需要快速的功率響應(yīng)4)并網(wǎng)電流的高電能質(zhì)量5)多機(jī)并聯(lián)的抗擾性強(qiáng)+++iLgwefiLgwef9合肥工紫大等2、傳統(tǒng)跟網(wǎng)型并網(wǎng)穩(wěn)定問題2.2高滲透條件下跟網(wǎng)型并網(wǎng)控制的問題合肥工紫大等提綱五、小結(jié)五、小結(jié)3.1為什么要采用構(gòu)網(wǎng)型并網(wǎng)?1)高電網(wǎng)阻抗的弱電網(wǎng)條件下，構(gòu)網(wǎng)型控制穩(wěn)定裕度更大電網(wǎng)電壓相位P1+MCgref—PIDroop-ControlledffPP[1]YuanXWangE,BoroyevichD,etalDC-linkvoltagecoTransactionsonPowerElectronics,2009,24(9):2178-2192.合肥工紫大等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(yīng)慢，難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，經(jīng)濟(jì)性差2)構(gòu)網(wǎng)型控制按負(fù)載需求輸出功率，和源側(cè)的最大功率點(diǎn)跟蹤需求相矛盾3)電網(wǎng)阻抗大幅波動(dòng)時(shí)，構(gòu)網(wǎng)型逆變器在電網(wǎng)阻抗較小(強(qiáng)網(wǎng))時(shí)容易發(fā)生振蕩4)多機(jī)之間的功率抗擾性變差、耦合變強(qiáng)0合肥工紫大等提綱二、傳統(tǒng)跟網(wǎng)型并網(wǎng)穩(wěn)定問題二、傳統(tǒng)跟網(wǎng)型并網(wǎng)穩(wěn)定問題五、小結(jié)五、小結(jié)■問題的引出逆變器即插即用特性：不同電源和負(fù)荷需要根據(jù)氣象、經(jīng)濟(jì)、電網(wǎng)和用戶需求等復(fù)雜工況靈活切入切出，且希望不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，即新能源設(shè)備期望具備即插即用的功能。公共電網(wǎng)集中式電站公共電網(wǎng)集中式電站新能源發(fā)電站新能源發(fā)電站發(fā)電單元接入點(diǎn)發(fā)電單元接入點(diǎn)電站接入電站接電站接入點(diǎn)新能源新能源新能源并網(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(diǎn)非線性變化，體現(xiàn)為在原來的工作點(diǎn)并網(wǎng)電流不出現(xiàn)寬頻振蕩，而在工作點(diǎn)變化后發(fā)生具備非線性頻移特性的寬頻振蕩。#1,#2,and#3Inver#1,#2,and#3Inver0合肥工紫大等并網(wǎng)逆變器本身是一個(gè)復(fù)雜的多輸入多輸出非線性系統(tǒng)，并且受到即插即用導(dǎo)致設(shè)備隨機(jī)投切等因素的影響，電網(wǎng)特性呈現(xiàn)非線性變化，電網(wǎng)電壓鎖相LabegabeMoabe電網(wǎng)電壓相位電網(wǎng)電壓鎖相PowerSinchronizationPWaves電壓前饋電壓前饋iWCdtefiWCdtef++ii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)示意圖合肥工紫大等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Rpp<0互聯(lián)無源系統(tǒng)示意圖合肥紫大等如果要使得能量的最小點(diǎn)處為期望值，可采用端口受控哈密頓方程(PCH)進(jìn)行無源控制器設(shè)計(jì)；并通過選擇哈密頓能L?ll采樣Pnf采樣PnfQefldguolodqXd無源ldguolodqXd無源g:反映系統(tǒng)輸入特性的矩陣然而，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(huì)帶來電網(wǎng)結(jié)構(gòu)/參數(shù)變化，將會(huì)引起無源控制系統(tǒng)抗擾能力下降?？谒悸芬觥か@取電網(wǎng)結(jié)構(gòu)/參數(shù)變化引發(fā)的擾動(dòng)：·是否可在通過引入非線性擾動(dòng)觀測(cè)器算法，來獲取擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)綗o源控制器中，提升系統(tǒng)抗擾能力?形式①辨識(shí)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)1(無源控制器環(huán)路設(shè)計(jì)):該環(huán)路是整個(gè)控制策略的基礎(chǔ)控制器，從能量的角度設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)的無源性，實(shí)現(xiàn)從單機(jī)擴(kuò)展到多機(jī)時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的無源性和穩(wěn)定性。xpxp環(huán)路協(xié)同環(huán)路 合肥工紫大學(xué)4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)期望的閉關(guān)鍵技術(shù)2(非線性觀測(cè)器環(huán)路設(shè)計(jì)):該環(huán)路輸出是即插即用帶來的非線性擾動(dòng)的估計(jì)值，輸入到無源控制環(huán)路，這樣可以提升逆變器xpxp環(huán)路uu環(huán)路所提適用于跟網(wǎng)型逆變器的非線性觀測(cè)器基于統(tǒng)—PCH模型，實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)器和無源控制器相互融合設(shè)計(jì)，保證引入觀測(cè)器之后的DCDC+o-V觀測(cè)器引入的虛擬等效電壓源電流M逆變器側(cè)L,■穩(wěn)定性證明：S0PudP■結(jié)合非線性觀測(cè)器后的無源控制律：大等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(dòng)態(tài)協(xié)同環(huán)路):單機(jī)擴(kuò)展到多機(jī)時(shí)，該環(huán)路實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)級(jí)阻尼特性的協(xié)調(diào)控制，并將其輸出作為無源控制環(huán)路輸入，xp環(huán)路plXlX環(huán)路合肥工紫大等4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)■為何要設(shè)計(jì)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)協(xié)同環(huán)路?·無通訊方案：直接利用局部測(cè)量信息，預(yù)先設(shè)置協(xié)作規(guī)則(指標(biāo)),實(shí)現(xiàn)多個(gè)逆變d軸電流/Ad軸電流/Ad軸電流/Ad軸電流/A■協(xié)作規(guī)則(指標(biāo))選取·電網(wǎng)阻抗越大，將發(fā)生欠阻尼振蕩；但無源控制下的系統(tǒng)始終能夠保證穩(wěn)定運(yùn)行(穩(wěn)定性始終保證，但動(dòng)態(tài)性能受到影響)。33333iiiii22222時(shí)間/s11不同電網(wǎng)阻抗影響下逆變器的輸出電流動(dòng)態(tài)性能■協(xié)作規(guī)則(指標(biāo))選取置阻尼，以確保多逆變器設(shè)備無通信情況下的整體動(dòng)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)1 ■實(shí)驗(yàn)結(jié)果(穩(wěn)定性驗(yàn)證：非線性觀測(cè)器+無源控制環(huán)路)傳統(tǒng)PI控制提出的控制策略■實(shí)驗(yàn)結(jié)果(動(dòng)態(tài)性能驗(yàn)證：自適應(yīng)動(dòng)態(tài)阻尼環(huán)路)所提自適應(yīng)阻尼注入方法所提自適應(yīng)阻尼注入方法i合肥工紫大等提綱一、研究背景一、研究背景二、傳統(tǒng)跟網(wǎng)型并網(wǎng)穩(wěn)定問題二、傳統(tǒng)跟網(wǎng)型并網(wǎng)穩(wěn)定問題五、小結(jié)五、小結(jié)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(jìn)，仍是經(jīng)濟(jì)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(chǎng)站系統(tǒng)弱網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性；3)隨著新能源滲透率的進(jìn)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。6)