【合肥工业大学】2024新能源发电集群分布式稳定控制技术研究报告_37页_9mb

李明副教授研究总结

核心内容

李明副教授主要研究新能源利用与分布式发电技术，特别是新能源发电集群的分布式稳定控制技术。他关注新能源并网与新型电力系统稳定性分析方法，以及多逆变器电站的协同稳定控制技术。研究目标是解决高渗透率新能源发电带来的并网稳定性问题，特别是在末端弱电网和即插即用场景下的挑战。

主要观点

1. 高渗透率新能源发电现状

   • 我国部分地区的新能源渗透率已超过100%，远超一些发达国家。
   • 新能源发电的广泛应用改变了电网结构，使得电网阻抗大幅波动，影响系统稳定性。

2. 跟网型并网模式的优缺点

   • 跟网型并网模式是目前主流方案，具有快速功率响应、高电能质量等优点。
   • 但在高渗透率和弱电网条件下，电网阻抗波动会引发宽频振荡，影响系统稳定性。

3. 构网型并网模式的优缺点

   • 构网型控制不依赖PLL，可脱离大电网独立运行，具有更高的稳定裕度。
   • 然而，在弱网下，构网型控制存在功率响应慢、抗扰性差等问题。

4. 即插即用带来的挑战

   • 即插即用特性增加了运行控制的复杂性，系统工作点会随机变化。
   • 传统线性控制方法难以适应这种非线性变化，导致系统动态性能下降。

5. 非线性控制的必要性

   • 并网逆变器是一个复杂的非线性系统，其控制性能高度依赖于模型精度。
   • 需要引入非线性控制理论，如无源性理论，以提升系统在非线性扰动下的稳定性与抗扰能力。

6. 无源性理论的应用

   • 无源性理论基于能量守恒原理，能够保证多逆变器系统的无源性和稳定性。
   • 通过设计端口受控哈密顿方程（PCH）模型，实现无源控制器的设计，确保系统在变化工况下仍保持稳定。

7. 非线性观测器的引入

   • 非线性观测器用于估计并网点电压扰动，将其补偿到无源控制环路中，提升系统抗扰能力。
   • 观测器与无源控制器融合设计，保证系统在引入观测器后仍保持无源性和稳定性。

8. 自适应动态协同控制

   • 为提升多逆变器系统的动态性能，设计了自适应阻尼动态协同控制环路。
   • 通过非线性下垂曲线关系，实现阻尼系数与电网阻抗的自适应调节，改善系统响应。

关键信息

研究方向

• 新能源并网与新型电力系统稳定性分析方法
• 多逆变器电站的分布式协同稳定控制技术

主持的科研项目

• 国家自然科学基金青年项目
• 国家重点研发计划项目子课题
• 中国博士后科学基金面上项目

教育背景

• 本科：合肥工业大学，电气工程及其自动化
• 硕博连读：合肥工业大学，电气工程（导师：张兴 教授）
• 博士后：清华大学，控制科学与工程（导师：耿华 教授）

荣誉与奖项

• 中国电源学会优秀博士学位论文奖
• 国际IEEE ECCE Asia会议最佳论文一等奖
• 中国电机工程学会和中国电源学会学术年会优秀论文/最佳报告人奖
• 期刊优秀论文奖
• 《全球能源互联网》担任国际会议SPIES 2022出版主席

技术成果

• 提出基于无源性理论的跟网型逆变器分布式稳定控制策略
• 设计非线性观测器，用于补偿电网扰动，提升控制性能
• 实现自适应动态协同控制，改善多逆变器系统的动态性能

实验结果

• 在高电网阻抗情况下，传统PI控制会导致电流振荡，而无源控制方案能有效抑制振荡，保持系统稳定。
• 自适应阻尼控制能根据电网阻抗变化实时调整阻尼，提升系统响应速度和稳定性。

发表论文（部分）

1. Ming Li, Hua Geng, Xing Zhang. Distributed coordinated control for stabilization of multi-inverter power plant [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2023, 70(12): 12421-12430.
2. Ming Li, Hua Geng, Xing Zhang. Hierarchical mode-dispatching control for multi-inverter power stations [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2023, 70(10): 10044-10054.
3. Ming Li, Xing Zhang, Zixuan Guo, et al. The dual-mode combined control strategy for centralized photovoltaic grid-connected inverters based on double-split transformers [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2020, 68(12): 12322-12330.
4. Ming Li, Xing Zhang, Zixuan Guo, et al. Impedance adaptive dual-mode control of grid-connected inverters with large fluctuation of SCR and its stability analysis based on D-partition method [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2021, 36(12): 14420-14435.
5. Ming Li, Xing Zhang, Zixuan Guo, et al. The control strategy for the grid-connected inverter through impedance reshaping in q-axis and its stability analysis under a weak grid [J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2020, 9(3): 3229-3242.
6. Xing Zhang, Hang Zhang, Ming Li* (通讯作者), et al. Analysis of dynamic power angle oscillation and its suppression strategy for the droop-controlled grid-connected inverter [J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2021, 9(5): 5718-5731.
7. Feng Han, Xing Zhang, Ming Li * (通讯作者), Fei Li and Wei Zhao, "Stability Control for Grid-Connected Inverters Based on Hybrid-Mode of Grid-Following and Grid-Forming," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, doi: 10.1109/TIE.2023.3335325.
8. 李明, 张兴, 郭梓暄, 等. 弱电网下基于D分割法的逆变器PI参数设计及稳定域分析 [J]. 电力系统自动化, 2020, 44(15): 139-147.
9. 李明, 张兴, 郭梓暄, 等. 弱电网下基于电网阻抗自适应的双模式并网稳定控制策略 [J]. 太阳能学报, 2021, 42(7): 86-93.
10. 李明, 张兴, 张行, 等. 基于虚拟稳态同步阻抗的VSG输出阻抗与小信号建模分析 [J]. 电源学报, 2018, 16(6): 11-17.

总结

1. 在高渗透率新能源发电场景下，跟网型控制仍是经济性较好的主流方案，但需应对电网阻抗波动带来的稳定性挑战。
2. 构网型控制提升了弱网运行的稳定性，但存在功率响应慢、抗扰性差等问题。
3. 即插即用特性增加了控制复杂性，需采用非线性控制方法提升系统适应能力。
4. 无源性理论为解决新能源发电集群的稳定性问题提供了一种有效工具，支持多机系统稳定扩展。
5. 引入非线性观测器和自适应阻尼协同控制，有效提升了系统的抗扰能力和动态性能。
6. 研究成果已在多个IEEE顶级期刊发表，显示出在新能源并网控制领域的显著贡献。