一种适用于光伏逆变器的新型构网控制方法-南方电网_25页_3mb

第九届直流输电与电力电子创新杯大赛（2023年）总结

作品背景

随着“双碳”战略的推进，可再生能源尤其是光伏将在未来电力系统中发挥重要作用。然而，高比例新能源接入和电力电子设备的广泛应用，导致电力系统面临短路比下降、惯量水平降低、阻尼减小等稳定性问题。传统跟网型控制缺乏对电网的主动支撑能力，因此构网型控制方法被提出，以增强光伏逆变器的电压源特性与系统稳定性。

核心内容与主要观点

1. 主电路拓扑与一次参数设计

• 本作品以光伏逆变器为研究对象，选取常规NPC三电平逆变器拓扑结构。
• 采用DC/DC升压电路进行光伏功率控制，实现对光伏输出功率的调节。
• 升压电路根据是否需要惯量支撑，分别采用最大功率跟踪（MPPT）控制模式和预留有功备用控制模式。

2. 控制器设计

• 提出一种基于混合同步控制结合非对称矢量电压控制的新型构网控制方法。
• 该方法能够实现宽范围短路比（SCR ∈ [1.05, 15]）下的稳定运行，无需切换控制模式。
• 通过混合同步控制提升暂态稳定性，结合圆形限幅器与暂态虚拟阻抗实现故障限流，避免失步和电压失控问题。
• 在惯量支撑方面，通过控制策略的灵活切换，实现对电网频率变化的瞬时有功支撑。

3. 半实物仿真测试

• 构建了光伏逆变器控制装置样机，并搭建半实物测试平台进行验证。
• 测试结果表明，构网型控制方法在弱电网条件下具有更好的稳定性。
• 在SCR=1.5和SCR=1.2的条件下，构网型控制均能实现稳定运行，而跟网型控制则容易失稳。
• 故障穿越测试显示，构网型控制在电网电压跌落至0.1 p.u.时仍能维持电压源输出特性，输出电流被准确限制在1.5 p.u.，并能平滑恢复至正常运行状态。

4. 网络转孤岛能力

• 在非计划孤岛发生后，构网型控制方法仍能维持输出电压和频率在额定值，确保本地负荷正常运行。
• 通过开关 $S_1$ 模拟断开，验证了在弱电网场景下构网型控制的孤岛适应性。

5. 多场站稳定性

• 在IEEE典型三机九节点系统中，验证了构网型控制在不同新能源渗透率下的稳定性。
• 当新能源渗透率为100%时，全构网运行模式下系统保持稳定，而全跟网模式下系统失稳。
• 构网型控制能够提升其他跟网型光伏电站的稳定裕度。

6. 经济性分析

• 构网型控制方法仅需对原有控制结构进行改进，无需增加额外硬件成本。
• 在特定频率变化率（RoCoF）边界条件下，构网型光伏通过预留功率提供惯量支撑具有经济优势。
• 与同步调相机相比，构网型光伏在RoCoF ≤ 1 Hz/s时，年经济损失为0.14亿元；在RoCoF ≤ 2 Hz/s时，年经济损失为0.28亿元，成本低于同步调相机。

关键信息

• 构网型控制方法：通过混合同步控制与非对称矢量电压控制，提升光伏逆变器在弱电网和故障情况下的稳定性。
• 宽范围短路比适应性：可在SCR ∈ [1.05, 15]范围内稳定运行，无需切换控制模式。
• 故障穿越能力：在电网故障期间维持电压源输出特性，防止失步并实现最大故障电流输出。
• 惯量支撑灵活性：根据运行需求灵活切换控制模式，实现发电优先或惯量支撑优先。
• 经济性优势：相比同步调相机，构网型控制在特定条件下具有更低的经济损失和更高的经济实用性。

作品成果与应用前景

• 本作品提出的构网控制方法适用于沙戈荒大型光伏基地、分布式光伏接入等多种运行场景。
• 可在无外部电网支撑、点对网或电网弱联系等复杂工况下实现大规模新能源的稳定送出。
• 具备良好的工程实用性和经济性，具有广泛的应用前景。

总结

本作品通过创新性的构网控制方法，解决了当前光伏逆变器在弱电网、故障穿越及惯量支撑方面的关键问题。提出的混合同步控制与非对称矢量电压控制相结合的策略，不仅提升了系统的稳定性与可靠性，还具备良好的经济性。该方法在不同短路比和新能源渗透率下均能实现稳定运行，为未来高比例新能源接入的电力系统提供了新的解决方案。