【南方电网】一种适用于光伏逆变器的新型构网控制方法_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，可再生能源如光伏将在未来电力系统中占据主导地位。然而，高比例新能源接入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，构网型控制方法被提出以解决这些问题。本作品聚焦于光伏逆变器，提出一种新型构网控制方法，旨在提升光伏系统在弱电网及故障情况下的稳定性与控制性能。

核心内容与主要观点

主电路拓扑与一次参数设计

• 本作品采用常规NPC三电平逆变器拓扑结构。
• DC/DC升压电路用于调节光伏串出口电压以控制输出功率。
• 根据当前主流光伏逆变器参数设计方法，选取一次参数。

控制器设计

• 提出一种基于混合同步控制与非对称矢量电压控制的构网控制方法。
• 通过混合同步控制实现宽范围短路比（SCR∈[1.05, 15]）下的稳定运行，无需切换控制模式。
• 采用圆形限幅器+暂态虚拟阻抗的故障限流策略，可在器件过流能力范围内实现最大故障电流输出，避免失步和电压失控问题。
• 通过非对称矢量电压控制实现电压精确控制，解决现有方法对最大功率传输极限的限制问题。

故障穿越控制

• 故障期间，构网控制方法可维持电压源输出特性，防止逆变器失步。
• 故障切除后，系统可平滑恢复至正常运行状态。

惯量支撑能力

• 通过逆变单元构网型控制与DC/DC升压电路的功率控制配合，实现灵活惯量支撑。
• 发电优先模式下，惯量支撑能量来源于直流侧电容；惯量支撑优先模式下，可结合功率裕度提升支撑能力。

联网转孤岛能力

• 在弱电网场景下，光伏系统可主动切换至孤岛运行模式，维持本地负荷稳定运行。
• 通过模拟非计划孤岛发生，验证了构网控制方法在孤岛模式下的电压与频率控制能力。

多场站稳定性

• 在IEEE典型三机九节点系统中，验证了构网型光伏在不同渗透率下的稳定性。
• 当新能源渗透率超过一定阈值时，构网控制方法可有效提升系统稳定性，避免失稳现象。

关键信息与创新点

• 宽短路比适应性：所提方法可在SCR范围[1.05, 15]内稳定运行，无需控制模式切换。
• 电压精确控制：解决了传统虚拟阻抗方法对最大功率传输极限的影响，实现了输出电压幅值的精确控制。
• 灵活惯量支撑：根据运行需求，可灵活选择发电优先或惯量支撑优先的控制策略。
• 故障穿越能力：在电网故障期间，保持电压源输出特性，维持系统稳定。
• 经济性优势：在特定边界条件下，构网型光伏通过预留功率提供惯量支撑，相比同步调相机具有一定的经济优势。

半实物仿真测试

• 基于图形化编程方式，研制了光伏逆变器控制装置样机，并搭建了半实物测试平台。
• 测试结果表明，构网型控制方法在弱电网条件下（SCR=1.2）比跟网型控制方法（SCR=1.2）具有更好的稳定性。
• 在频率变化条件下，构网型控制方法可提供瞬时有功支撑，惯量支撑功率符合设计预期。

经济性分析

• 所提构网控制方法仅需对原有控制结构进行改进，无需额外硬件成本，具备良好的经济性和实用性。

应用场景与成果

• 本方法适用于沙戈荒大型光伏基地、分布式光伏接入等多种场景。
• 在无外部电网支撑、点对网或电网弱联系下，可实现大规模新能源的稳定送出。
• 提出的控制方法具有广泛的工程应用前景。

总结

本作品提出了一种适用于光伏逆变器的新型构网控制方法，结合混合同步控制与非对称矢量电压控制，解决了当前构网控制方法在宽短路比适应性、电压精确控制、惯量支撑灵活性、故障穿越能力等方面的问题。通过半实物仿真测试验证了其在弱电网条件下的稳定性与性能优势，并在经济性分析中展示了其相较于同步调相机的潜在优势。该方法为未来高比例新能源接入的电力系统提供了可靠的技术支撑，具有重要的应用价值和推广前景。