【华南理工大学_肖晃庆_】2024具备跟网-构网二象性的新能源并网系统同步稳定报告_20页_4mb

报告摘要

具备跟网-构网二象性的新能源并网系统总结

一、核心内容概述

随着高比例新能源的接入，传统以同步发电机为主的“物理同步”机制正逐渐被以电压源换流器（VSC）为主的“控制同步”机制取代。新能源并网系统在弱电网和强电网环境下均面临同步稳定性的挑战，因此，研究具备跟网-构网二象性的新能源并网系统控制架构成为提升系统稳定性的关键方向。

二、主要观点

1. 新能源并网系统的同步机制变化

电源结构变化：新能源发电系统以VSC为主，其控制方式分为跟网型（Grid-Following）和构网型（Grid-Forming）。
跟网型控制：依赖PLL保持与电网同步，但在弱电网中易因锁相失败导致失稳。
构网型控制：模拟同步发电机的运动方程，通过功率同步环（PSL）保持同步，但在强电网中易与电网失去同步。
二象性控制架构：通过融合跟网与构网控制元素，实现对电网适应性的动态调整，提升系统在不同工况下的同步稳定性。

2. 静态同步稳定性分析

权重系数影响：权重系数K的调整影响系统在不同短路比（SCR）下的静态同步稳定性。
K值与SCR关系：
- K=0时，下限临界SCR为2.1，上限临界SCR>30。
- K=1时，下限临界SCR为1，上限临界SCR为11。
自适应控制策略：根据在线检测的系统阻抗，自适应调整K值，使系统在SCR∈[1.0, 30]范围内保持静态同步稳定。

3. 暂态同步稳定性分析

加速面积与减速面积：在暂态过程中，加速面积大于减速面积可能导致失稳。
混合同步环+混合电压环：结合两种控制方式，减小加速面积、增大减速面积，显著提升暂态稳定性。
自适应调整权重系数：
- $K_{a1}$：根据电网电压调整，减小$K_{a1}$可增大系统阻尼与稳定裕度。
- $K_{a2}$：根据电压跌落程度调整，减小$K_{a2}$可抬升PCC点电压、减小虚拟功角、增大稳定裕度。

4. 控制策略与效果

自适应混合控制：通过检测电网电压和系统阻抗，动态调整控制参数，实现对电网的自适应同步控制。
仿真结果：在电网电压跌落至0.4p.u.或0.35p.u.时，自适应混合控制相较于单一控制方式，显著提升了系统的同步稳定性。

三、关键信息

1. 研究背景

政策支持：国家推动大型风光基地建设，新能源装机容量目标达4.55亿千瓦。
系统挑战：新能源并网方式多样化导致同步机制变化，传统控制方式难以满足稳定性需求。

2. 研究方法与成果

控制架构：提出“具备跟网-构网二象性”的VSC控制架构，融合跟网与构网控制。
静态稳定：通过自适应调整权重系数K，实现系统在不同SCR下的静态同步稳定。
暂态稳定：通过混合同步环与混合电压环，实现对电网电压跌落的自适应响应，提升暂态稳定性。

3. 研究团队与项目

研究者：肖晃庆，华南理工大学副教授，研究方向包括直流输电、新能源电力系统稳定性、海上风电并网。
学术成果：发表论文70余篇，授权专利10余件（含美国专利3件）。
科研项目：主持国家重点研发计划子课题等纵向项目5项，参与国家863计划、美国自然科学基金等项目10余项。

4. 学术兼职

IEEE PES直流系统规划与设计技术分委会常务理事
中国电机工程学会电力系统建模与仿真工作组委员
《电力建设》、《CEST》、《浙江电力》青年编委

四、结论

新能源并网系统在高比例接入背景下，需突破传统跟网与构网控制的二元对立，发展具备“跟网-构网二象性”的控制架构。该架构通过自适应调整控制权重系数，提升系统在不同电网强度下的同步稳定性。静态稳定性方面，权重系数的调整可使系统在SCR∈[1.0, 30]范围内保持稳定；暂态稳定性方面，通过混合同步环与混合电压环的协同作用，显著提升系统在电压跌落情况下的稳定性。该研究为新能源并网系统的同步稳定控制提供了新的思路和技术手段。

五、参考文献

Huangqing Xiao, Hongliang He, Lidong Zhang and Teng Liu, "Adaptive Grid-Synchronization Based Grid-Forming Control for Voltage Source Converters," IEEE Transactions on Power Systems, vol. 39, no. 2, pp. 4763-4766, March 2024.
Huangqing Xiao, Hongliang He, Lidong Zhang, et al. Adaptive Grid-Synchronization Control with Dual Features of Grid-Forming and Grid-Following for VSCs. TechRxiv. November 09, 2023.
Huangqing Xiao, Xiaowei Huang, Ying Huang, and Yilu Liu, "Self-Synchronizing Control and Frequency Response of Offshore Wind Farms Connected to Diode Rectifier Based HVDC System," IEEE Transactions on Sustainable Energy, vol. 13, no. 3, pp. 1681-1692, 2022.
Huangqing Xiao, Kai Gong, Zhan Zhang, Lidong Zhang and Teng Liu, "Modeling and Stability Analysis of Adaptive Hybrid Synchronization Control for Grid-Connected VSC in Renewable Energy Systems," IEEE Transactions on Power Systems, Under Review.
肖晃庆，何宏亮，杨苹，张利东，刘腾.并网VSC的自适应混合控制及其暂态稳定性分析，Under Review.

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