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

李明副教授是合肥工业大学的副教授，黄山学者学术骨干，同时也是中国电源学会青年工作委员会常务委员。他专注于新能源利用与分布式发电技术的研究，尤其是在新能源并网与新型电力系统稳定性分析、多逆变器电站的分布式协同稳定控制等方面取得了显著成果。其研究工作结合了无源性理论与非线性观测器技术，以解决新能源发电集群在高渗透率和弱电网条件下的并网稳定性问题。

主要观点

• 新能源渗透率高：我国部分地区新能源渗透率已超过100%，远高于丹麦、西班牙等发达国家，表明新能源在电力系统中的重要性日益增强。
• 传统并网控制模式的局限性：
  • 跟网型控制：虽能实现最大功率点跟踪和高电能质量，但在高渗透率和弱电网条件下易出现宽频振荡和稳定性问题。
  • 构网型控制：虽能提升弱网运行稳定性，但在高阻抗电网中响应慢，难以实现经济性运行，且在电网阻抗波动时易发生振荡。
• 即插即用特性带来的挑战：新能源设备需根据气象、经济、电网和用户需求灵活接入和退出，导致系统结构和参数实时变化，增加了控制复杂性和抗扰要求。
• 非线性控制的必要性：由于并网逆变器是多输入多输出非线性系统，且电网特性变化非线性，传统线性控制方法难以适应，因此需要引入非线性控制理论。
• 无源性理论的应用：无源性理论基于能量守恒原理，通过设计闭环控制器，确保系统在单机扩展到多机时仍保持无源性和稳定性。
• 非线性观测器的作用：通过非线性观测器估计电网扰动，将其补偿到无源控制环路中，以提升逆变器的抗扰能力。
• 自适应动态协同环路的设计：在无通信前提下，通过构建非线性下垂曲线，实现多逆变器之间的阻尼协同，改善系统动态性能。

关键信息

研究背景

• 新能源（如光伏、风电）在全球范围内广泛应用，我国部分地区新能源渗透率已超过100%。
• 末端弱电网的形成主要由于大量电力电子设备、长输电线路和变压器等引起的等效阻抗波动。
• 高渗透率下，传统并网控制方式面临稳定性与动态性能的双重挑战。

传统并网控制问题

• 跟网型控制问题：
  • 电网阻抗波动导致系统稳定性下降。
  • PLL与电网阻抗的耦合影响系统动态响应。
• 构网型控制问题：
  • 功率响应慢，难以实现最大功率点跟踪。
  • 在强网条件下易发生振荡。
  • 多机之间耦合增强，抗扰性下降。

新能源发电集群分布式稳定控制技术

• 无源性理论：用于设计无源控制器，确保系统在单机和多机运行时均保持稳定性。
• 非线性观测器：估计电网扰动，提升系统抗扰能力。
• 自适应动态协同控制：通过非线性下垂曲线实现阻尼动态调节，提升系统整体动态性能。

控制器设计与实现

• 无源控制器设计：基于PCH模型，通过设定期望能量函数和耗散阻尼矩阵，设计闭环控制律。
• 非线性观测器设计：融合无源控制器与观测器，实现扰动估计与补偿。
• 自适应阻尼控制：根据电网阻抗动态调整阻尼系数，改善系统响应。

实验验证

• 稳定性验证：在高电网阻抗情况下，传统PI控制导致电流振荡，而无源控制方案有效抑制振荡，系统稳定运行。
• 动态性能验证：自适应阻尼控制显著改善系统动态性能，消除欠阻尼振荡。

发表的论文

1. Ming Li, Hua Geng, Xing Zhang. Distributed coordinated control for stabilization of multi-inverter power plant. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 电源学报, 2018, 16(6): 11-17.

小结

1. 在高渗透率新能源发电系统中，跟网型控制仍是主流，但在弱电网条件下需进一步优化。
2. 构网型控制可提升弱网运行稳定性，但存在响应慢、抗扰性差等问题。
3. 随着新能源渗透率的提升，基于无源性理论的分布式稳定控制技术将成为重要研究方向。
4. 非线性观测器与自适应协同控制技术的应用，显著提升了系统的稳定性与动态性能。
5. 李明副教授的研究成果已在多个顶级期刊上发表，体现了其在新能源并网控制领域的深厚造诣。