高比例电力电子并网接口振荡模式交互机理及优化控制研究

With the demand for large-scale grid-connected power generation of renewable energy, the characteristics of high-proportion power electronic grid-connected interfaces are gradually presented. The power fluctuation of renewable energy can not be ignored. The large power disturbance makes the system operating point farther away from the equilibrium point, and the nonlinear influence is intensified. The oscillation problem gradually extends from the local single harmonic resonance to the system multi-oscillatory modes, and the oscillatory modes derive new oscillatory mode shapes due to nonlinear interaction. The quantitative change of the clustered grid-connected equipment has caused the qualitative change of the system stability. This project intends to do some research on oscillatory mode interaction mechanism and optimal control of high proportion grid-connected power electronics interface. The main studies include: establish an analytical model based on considering the high-order expansion term of the Taylor series of the system mathematical equation; reveal the interaction mechanism and frequency migration characteristics of oscillatory modes whose trajectories change and fuse until the oscillation(especially resonance) occurs under the disturbance, and also reveal the causes and types of system oscillations; then analyze the correlation between the oscillatory modes and the system disturbances/parameters, and the equivalence of oscillatory mode interaction affects on the active/reactive output; based on this, explore optimal stability control mechanism considering the oscillatory mode interaction, on one hand, proposes a geometrical average design method for LCL parameters considering harmonic interaction, on the other hand, proposes a power asymmetric control method that takes into account oscillatory mode decoupling, and improve the system stability.

随着新能源大规模并网发电的需求，高比例电力电子并网接口特点逐渐呈现，新能源功率波动不可忽略，功率大扰动使系统工作点更加远离平衡点，非线性影响加剧，振荡问题逐渐从局部单一谐波谐振扩展到了系统多振荡模式，且振荡模式由于非线性交互衍生出了新振荡模态，设备集群并网的量变引起了系统稳定性的质变。本项目拟开展高比例电力电子并网接口振荡模式交互机理及优化控制研究，主要研究内容有：在考虑系统数学方程泰勒级数高阶展开项的基础上建立解析模型；揭示扰动作用下振荡模式的轨迹发生变化、融合直至产生振荡（尤其是谐振）的交互机理及频率迁移特性，揭示系统振荡产生的原因及类型；进而分析振荡模式与系统扰动/参数的相关性，振荡模式交互影响在有功/无功输出上的对等性；据此探索计及振荡模式交互的稳定性优化控制研究，一方面提出考虑谐波交互的LCL参数几何平均设计方法，另一方面提出计及振荡模式解耦的功率不对称控制方法，提高稳定性。

随着新能源产业的快速发展，基于电力电子变换器的新能源发电单元已大范围接入电网，高比例新能源电力系统的安全稳定运行面临全新的挑战。针对此，本项目首先阐明了高比例新能源发电系统中存在的负阻尼振荡、强迫振荡和自谐振等振荡机理，揭示了正负阻尼均可引起系统失稳和某一参数微小交互作用下引起多机并网系统快速失稳的现象；建立考虑二次等非线性项的状态空间方程，阐明了模式间的非线性相互作用机理并推导体现其非线性耦合的关系式，进一步发现了由于非线性引起的系统倍频内共振现象，并给出了其诱发条件；在此基础上，对比分析了各种稳定性分析方法，并从系统全阶状态空间小信号模型的角度分析振荡模式与系统扰动/参数的相关性，发现了弱电网下锁相环和电流环相关振荡模式间发生交互作用和‘借’阻尼现象；从解析的角度推导考虑电网强度和锁相环影响的电流环闭环传递函数，提出弱电网下基于Nyquist定理的控制环路稳定判据，据此分析并网逆变器系统内部的交互规律，说明了电网强度的不同会导致锁相环和电流环带宽之间制约关系的变化；从系统阻尼比的角度分析极坐标下电流环/电压电流双环/VSG控制的阻尼特性，揭示了有功/无功功率稳定性的‘不对称’现象，基于参与因子阐明了功率不对称情况关联最大的控制环节和状态变量；与此同时进一步研究并网逆变器系统的稳定性优化控制，一方面从硬件参数的角度考虑电感的变化和电网背景谐波对谐振频率选择的影响，并结合桥臂侧电感计算的最大纹波电流表达式，提出了一种基于谐振频率的LCL参数设计法；另一方面从控制算法的角度对比分析了不同无功类控制策略，从而使得极弱网下并网系统能够满功率稳定运行。基于本项目累计发表及录用9篇高水平论文，累计申请发明专利7项，其中国际专利受理1项、国内授权专利4项，受理2项。