最近的一篇论文发表在杂志上能量回顾了利用grid-forming (GFM)转换器实现电网电力系统的稳定。
研究:Grid-Forming转换器对未来电网的稳定问题。图片来源:布莱恩客人/ Shutterstock.com
背景
电力系统传统上依赖于同步发电机(SGs)维持电网稳定和提供惯性。然而,维持电网稳定已成为具有挑战性的在过去的十年里由于缺乏上涨的惯性power-electronics-interfaced整合可再生能源(RES)在电力系统。
目前,grid-following(金五环)转换器主要是用于电力系统维持电网稳定由于假设系统的稳定性是由惯性来源。然而,这样的一个假设是无效的低惯性网格的未来。
GFM转换器被认为是一个潜在的解决方案来支持低惯性网格模拟同步机械的功能。不同的配置和拓扑GFM转换器已经提出了解决低惯性网格的网格stability-related重大问题。
几项研究进行分析小信号稳定GFM转换器的性能。然而,GFM转换器的性能对大信号稳定没有得到广泛的研究。此外,没有结合所有GFM配置进行比较研究,以减轻大信号稳定性问题。
在这项研究中,研究人员结合和比较所有现有GFM控制方案在大信号稳定性问题的背景下促进GFM转换器的进一步研究和发展稳定的低惯性网格。
GFM转换器和电力系统的稳定性
大信号稳定性问题
GFM转换器经历过流问题在大信号扰动如三相交流电(AC)的错,需要采用限流策略,确保安全运行。锁定限制器和瞬时饱和限幅器是主要策略可以用来限制电流。
GFM的操作模式转换器从电压源模式转换为电流源模式由于大信号扰动。在电压源模式下,变换器电流必须保持转换器的范围内。此外,inertia-providing GFM转换器电力系统是一个二阶系统,能产生功率振荡在缺乏足够的阻尼,从而影响转换器的稳定性能。
不同的方法,如将GFM变换器的控制方法转向金五环在大信号扰动控制模式,提出了解决这些稳定问题。
图片来源:苏,W et al .,能量
虚拟impedance-based电压限制方法实现添加了一项研究,输出阻抗降低参考电压时,电流穿过可接受范围。
该方法降低了饱和参考电流和预防。然而,特定的稳定性,如电压和频率稳定,必须深入理解彻底理解动态的稳定。
频率稳定度
频率控制和稳定的目标是保持频率设置或票面价值。最低点频率和频率的变化率(RoCoF)是主要的频率控制和监测指标。RoCoF高和频率最低点在容许极限通常观察到低惯性网格。
高频波动的风险converter-based代可再生能源可以解决使用GFM转换器控制。这些GFM控件提供的主要频率控制和惯性响应通过识别频率摆动和调节的力量注入维护设置/标称频率值。
储备容量必须维护减轻负载和一代失衡达到更快的频率控制后大规模的扰动。inverter-interfaced来源,储备能力可以由操作下的逆变器额定价值或通过inverter-interfaced电池。
缺乏可靠和成熟的网格形成解决方案限制分级控制策略的实现散装网格和inverter-interfaced微型电网。因此,需要更多的研究来实现GFM转换器在低惯性网格散装水平。
电压稳定
电压稳定维护通过保持电力系统的电压在允许范围内。现有金五环转换器经验低惯性电网动态电压稳定问题由于权力秩序时降低电压增加的公共连接点(PCC)。
金五环控制系统依赖于电网的频率和电压的监管。因此,GFM转换器被认为是唯一合适的和潜在的选择能提供电压和频率的服务。电压控制或监管GFM转换器包括减少或增加活性和真正的权力。
GFM转换器通常通过无功功率提供电压控制由于其增强灵敏度/无功电压。因此,这些转换器可以提供电压支撑即使在弱惯性网格。电压稳定发展中直流(DC)也是很重要的网格和微型电网。在微型电网,虚拟阻抗被添加到降低参数灵敏度实现电压控制。
然而,GFM-based方法不能应用于减轻未来微型电网的电压稳定问题,大部分电网电网将分布在地理上和GFM转换器的故障电流很低。因此,必须开发新的方法与特定的稳定标准未来的系统。
GFM变换器拓扑
GFM转换器具有根据控制器结构。这些转换器拥有不同的属性,如独立的频率和电压控制,低输出阻抗,和黑启动能力,使它们适合网格加强,提供惯性,inverter-based网格。
Synchronverter
Synchronverter /虚拟同步机(VSM)几乎同步机的原则进行操作。的特点是由权力和控制块。权力集团由转换器及其与电网互联,而控制块执行一代,监管,和计算的脉冲宽度调制(PWM)脉冲转换器门驱动器。
synchronverter所有SG参数建模。因此,所有现有的和成熟的控制策略为SG synchronverter也可以应用。synchronverter可以在金五环或GFM模式,因为它不遵循一个电流或电压参考。
匹配控制
匹配控制拓扑控制直流链接,并使用一个直流环节的SG模型驱动谐振频率振荡器。基于嵌入式控制器内部振荡器模型驱动逆变器调制和直流环节电压用于监控的权力平衡。
有功功率跟踪是通过调节直流,导致电压控制振荡器的频率。匹配控制只使用直流侧测量消除处理延迟。机器的二元性的角速度和变换器直流电压也称为匹配控制。
虚拟控制振荡器(VOC)
VOC是基于非线性振荡器的动力学仿真的逆变器控制。VOC相似匹配控制,除了规定的使用时域信号的电压相量的地方。GFM的PWM信号转换器生成使用的终端电压振荡器。VOC具有下垂控制所有功能和提供了一个优越的负载分配能力和电压调节。
可分派虚拟振荡器(dVOC)
dVOC使用户能够建立逆变器的功率定位点。然而,dVOC函数VOC模式如果没有设置点。
直流电压(V-f)控制
V-f控制是最好的选择对于被动网格应用程序,比如坐落网格,输出频率和电压保持闭环控制。然而,这GFM技术限制,当活跃的网格中实现,因为它缺乏权力分享的能力。V-f控制由双核和单回路控制模式。
在单回路控制方式,频率和电压参考生成变换器输出电压值,而在dual-loop控制模式下,输出电压依赖的级联回路电压和电流,提供的限流能力dual-loop控制模式。单回路模式可以应用的交流电压调节GFM当主从拓扑中实现应用程序和优越。
总而言之,本文进一步的研究提供了一个路线图的可行性使用GFM转换器来克服稳定的挑战,特别是大信号稳定,在未来/现代RES-dominated低惯性网格。
参考
苏,W。刘,G。查图尔维迪,S。等。Grid-Forming转换器对未来电网的稳定问题。能量2022年。https://www.mdpi.com/1996-1073/15/14/4937
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