Review on grid-forming converter control methods in high-proportion renewable energy power systems

Grid-forming(GFM)converters can provide inertia support for power grids through control technology,stabilize voltage and frequency,and improve system stability,unlike traditional grid-following(GFL)converters.Therefore,in future“double high”power systems,research on the control technology of GFM converters will become an urgent demand.In this paper,we first introduce the basic principle of GFM control and then present five currently used control strategies for GFM converters:droop control,power synchronization control(PSC),virtual synchronous machine control(VSM),direct power control(DPC),and virtual oscillator control(VOC).These five strategies can independently establish voltage phasors to provide inertia to the system.Among these,droop control is the most widely used strategy.PSC and VSM are strategies that simulate the mechanical characteristics of synchronous generators;thus,they are more accurate than droop control.DPC regulates the active power and reactive power directly,with no inner current controller,and VOC is a novel method under study using an oscillator circuit to realize synchronization.Finally,we highlight key technologies and research directions to be addressed in the future.

Research on the Impacts of the Inertia and Droop Control Gains from a Variable-Speed Wind Turbine Generator on the Frequency Response

System frequency must be kept very close to its nominal range to ensure the stability of an electric power grid.Excessive system frequency variations are able to result in load shedding,frequency instability,and even generator damage.With increasing wind power penetration,there is rising concern about the reduction in inertia response and primary frequency control in the electric power grid.Converter-based wind generation is capable of providing inertia response and primary frequency response;nevertheless,the primary frequency and inertia responses of wind generation are different from those of conventional synchronous fleets;it is not completely understood how the primary frequency and inertia responses affect the given system under various disturbances and available kinetic energy levels.Simulations are used to investigate the influences of inertia and droop control strategies on the dynamic frequency responses,particularly the index of the second frequency drop under various disturbance and wind conditions.A quantitative analysis provides insight into setting of inertia and droop control coefficients for various wind and disturbance conditions to facilitate adequate dynamic frequency responses during frequency events.

Research and application of a power-flow-calculation method in multiterminal VSC-HVDC power grid

For demonstrating a multiterminal voltage-source converter(VSC)-based high-voltage DC(HVDC)(VSCHVDC) project, this study puts forward a technical route for calculating the power flow in a 500-kV VSC-HVDC power grid in comparison with that of an AC power grid. The Jacobian matrix used in the power-flow calculation was deduced through methods such as Newton–Laphson iteration and Taylor series expansion. Further, the operation effect of powerflow calculation on a true bipolar VSC-HVDC power grid was analyzed briefly. The elements of the Jacobian matrix corresponding to VSC were studied under the mode of droop control and the control strategy of VSC-HVDC power grid was analyzed in detail. The power-flow calculation model for VSC-HVDC power grid of the master–slave control mode was simplified using the PQ decomposition method of the power-flow calculation of an AC power grid. Moreover, a four-terminal model of the Zhangbei VSC-HVDC demonstration project was established and tested on MATLAB. The simulation results under two kinds of operating conditions were analyzed and compared to the results of BPA; the deviation between the power-flow results was studied. The results show that the proposed calculation method can provide a feasible support for calculating the power flow in VSC-HVDC grids.

风电虚拟惯量延时的影响机理模型解析及替代性研究

风电机组采用虚拟惯量参与电网调频时,其本质是带延时的快速功率响应,但虚拟惯量延时对频率控制的非线性影响尚不清晰。同时,虚拟惯量存在测频精度要求高、延时大、频率微分环节放大量测误差等固有缺陷。为此,提出了风电机组虚拟惯量延时的影响机理模型解析及替代性研究的思路。首先,通过将风电机组虚拟惯量和下垂控制的延时特性近似等效为一阶惯性环节,建立风电调频使用虚拟惯量和下垂控制的系统频率响应模型;其次,基于劳斯近似法对高阶模型进行降阶解析,求得系统频率最低点的解析表达式;然后,解析求解风电调频仅使用下垂控制的系统频率响应模型,并在频率最低点指标下给出与虚拟惯量和下垂控制相同调频效果的下垂控制系数设定方法。进一步,在设定下垂控制参数下,对比两种控制方式下的最大频率变化率、稳态频率等关键指标关系,得出结论:适当改变下垂系数可替代带延时虚拟惯量,并能取得比虚拟惯量和下垂控制更佳的调频效果。最后,建立仿真模型,并从系统频率响应动态、调频能量需求、风电机组响应功率等方面验证了分析的正确性。

基于自适应虚拟电阻的低压微电网有功均分下垂控制策略

由于低压微电网中各分布式电源的线路阻抗不匹配,传统的下垂控制策略难以按照下垂系数合理分配有功功率。为此,提出一种无需通信的自适应虚拟电阻下垂控制方法。通过将微电网中每个分布式发电机(DG)单元输出的有功功率和电压传送给自适应虚拟电阻控制器中,在保证电压和频率稳定控制的前提下实现功率按逆变器容量比例进行精确分配。论文对改进方法的微电网逆变器进行小信号稳定性分析,以优化控制器有关控制参数。仿真和实验结果验证了所提控制方法的有效性。

基于双补偿下垂—MQPR的直驱式风电机组并网控制

为了实现直驱式永磁风力发电系统安全稳定并网,提出一种基于双补偿下垂与多重准比例谐振(multiple quasi proportional resonance,MQPR)相结合的并网控制策略。该策略源于传统下垂控制,在电压控制环节引入直流电压补偿量,能快速调节直流母线电压达到稳定;在电流控制环节引入电容电流补偿量,能有效减小滤波电容造成的电流误差影响;同时,设计出MQPR控制器替代内环电流的PI控制器,可以滤除系统中多次谐波电流。通过建立仿真模型,与双闭环PI和传统下垂控制策略进行对比,验证所提控制策略的有效性。

基于虚拟振荡器控制的储能变流器控制策略研究

针对传统储能变流器控制方法存在的同步速度较慢、有功功率跟踪效果欠佳的问题,提出了一种基于虚拟振荡器控制的储能变流器控制策略。该策略基于虚拟振荡器控制,采用优化惯性权重和学习因子的改进粒子群算法整定控制器参数,避免了有功和无功功率的测量,具有比传统下垂控制更好的动态响应。最后,针对储能系统中2台并联储能变流器在负荷突变情况下进行了相应控制,仿真结果表明,所提新型控制方法具有更快的同步速度和更好的有功功率跟踪性能。

考虑可再生能源接入的多端MMC交直流混合系统协调控制

模块化多电平变换器的零转动惯量特性,使其无法对交流电网的频率波动提供支撑,导致交直流混合系统的整体惯性下降,影响并网系统的动态性能与稳定性。文章将改进功率-电压下垂控制与虚拟同步机技术相结合,提出一种新型功率协调控制策略。在系统直流电压稳定的情况下,对交流电网进行频率调节,同时对各变换器间的功率进行合理分配,无需通讯系统即可建立有效的能量管理体系。与传统双闭环控制进行对比试验,结果表明,所提控制策略有效解决了系统由低惯量、欠阻尼引起的动态性能与稳定性的问题。

基于电压补偿的双端直流配电网电压就地协调控制

双端直流配电网是一种双端电源供电的网络结构,可为直流负荷提供更加稳定和可靠的电源电压。然而,负荷的功率波动和不平衡使线路电压跌落增大,可能导致直流负荷的电压不平衡度和电压偏差指标越限,影响直流负荷的正常运行。文中基于电压源型换流器(VSC)外环电压控制,考虑中线电压补偿,提出基于电压补偿等效模型的直流配电网电压偏差及不平衡度联合抑制策略,实现直流配电网电压就地协调控制。首先,建立双端直流配电网潮流模型,将VSC电压下垂控制引入潮流模型,分析不同控制策略下的电压偏差和不平衡度的特性。其次,在此基础上,以电压最低点为分点获得双端电源供电回路压降的简化等效模型,并利用最小二乘法实现等效阻抗参数辨识,构建双端直流配电网的电压补偿等效模型。以参数辨识结果作为电压外环控制输入,提出考虑中线电压补偿的双端直流配电网电压就地协调控制策略。最后,在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,验证了双端直流配电网潮流模型的正确性和控制策略的有效性。

工矿机车牵引双供电系统及其下垂控制策略

为了应对工矿机车距离和载重日益增长的发展趋势,同时满足工矿机车牵引对突变负荷的运行稳定性提升的要求,提出一种双供电系统及其下垂控制方法的工矿机车牵引供电方案。针对工矿牵引具有负荷突变、往返载荷差异大等工矿行业的特殊性,对比分析了站间精确均流和非精确均流策略对工矿机车牵引的适用性,根据分析结果提出了工矿机车双供电系统方式及其站间协同下垂控制策略,在此基础上引入电流前馈控制策略。搭建了仿真模型和包含牵引变电站的工矿机车低压试验牵引物理动模平台,试验结果表明所该策略在负荷突变工况下的机车电压稳定性显著优于与常规下垂控制方法。该研究为工矿机车牵引向大容量、远距离、高可靠性未来发展提供了有力的技术支撑。

基于VSG下垂优化控制的新能源电力系统惯性提升

针对传统VSG技术动态性能较差且重要参数J和D最优值较难确定的问题,提出了一种基于下垂控制与神经网络预测的VSG控制与参数优化策略,实现了VSG技术中关键参数J和D的动态调节。首先,所提策略将有功功率-频率下垂控制应用于VSG的控制算法中;其次,通过模拟同步发电机转子运动方程和电压与无功控制特性,建立VSG的小信号分析模型,完成了关键参数转动惯量与阻尼系数的初值整定;最后,建立了人工神经网络进行分析学习和网络训练,调整权值以改变VSG转动惯量与阻尼系数,通过误差函数比较输出量与输入量之间的误差,多次学习训练后参数达到期望值。将神经网络优化算法与下垂控制策略结合,对VSG控制策略进行优化。分别采用传统VSG控制、恒定参数下垂控制和基于神经网络优化的自适应参数下垂控制对算例进行仿真,结果表明:所提基于神经网络优化的自适应参数下垂控制比传统VSG控制的频率最大变化量降低了26.7%,频率稳定时间降低了0.25 s,表明了所提策略的有效性。

基于逐次变分模态分解的飞轮-火电一次调频控制策略

随着新型电力系统的大力建设与推广,火电机组面临的调频压力增大,提出一种逐次变分模态分解的飞轮-火电一次调频控制策略。首先,以飞轮储能和火电机组为研究对象,建立考虑新能源占比的飞轮-火电一次调频模型;其次,将一次调频功率指令利用逐次变分模态方法分解,由火电机组响应分解后的低频功率指令,同时设计飞轮储能下垂优化控制方法,实现飞轮储能与火电机组响应频率变化的协同控制;最后在不同工况下仿真验证,结果表明所提策略可有效避免火电机组一次调频时的频繁出力,减小火电机组响应频率变化时的调控要求,同时可最大限度地利用飞轮储能调频容量并保证飞轮储能调频期间的运行安全,进一步提升了系统的频率响应能力。

考虑通信时延的孤岛微网有限时间频率二次控制研究

针对孤岛微网下垂控制特性导致的频率偏离额定值问题,结合多智能体一致性算法,提出一种分布式有限时间二次控制策略,在有限的时间内将每台分布式发电源(distributed generation source,DER)的频率恢复到参考值和实现有功功率按比例分配。针对孤岛微网中DER间存在的通信时延问题,通过分析时延对系统稳定性的影响机理,在二次控制策略中加入一种时延补偿项来消除通信时延的对系统的影响。采用Lyapunov稳定性理论,齐次性原理以及LaSalle’s不变集原理分析所提出的二次控制策略的稳定性和有效性。最后在MATLAB/Simulink仿真环境中建立孤岛微网系统,仿真结果验证了所提出二次控制策略有效性,显示了其工程应用价值。

基于线路电阻观测值的直流微电网改进下垂控制策略研究

负载功率精确均分和母线电压稳定是直流微电网的主要控制目标,但传统下垂控制会引起电流分配精度低和母线电压偏差大。针对此问题,提出一种基于线路电阻观测值的改进下垂控制策略。线路电阻不匹配是导致各变换器输出电流不均分的主要原因。首先使用递推最小二乘法对线路电阻进行估计,利用估计得到的线路电阻值调整下垂系数。再进一步考虑到每个变换器的额定功率各不相同,根据变换器的额定功率调整下垂系数,实现各变换器输出电流按其额定功率比例分配。最后在Matlab/Simulink平台搭建孤岛直流微电网模型,对3种不同下垂系数进行仿真,并在恒定负载、变负载、变换器退出运行3种工况下,验证了所提下垂控制在功率均分和稳压方面的有效性和可行性。

含能量路由器的交直流混合配电网潮流计算

能量路由器(energy router,ER)作为新兴电力电子设备,可以实现电能在电力系统中的灵活分配。分析ER对系统的影响,研究以ER为配电枢纽的交直流混合配电网潮流计算方法,对实现配电网的优化运行具有重要意义。文中首先基于改进交替迭代法建立ER的稳态潮流模型,并对ER直流端口采用下垂控制策略,结合传统解耦法,提出一种适用于含ER的配电网交直流解耦迭代潮流计算方法。以含有多个ER的IEEE 14节点和IEEE 69节点配电系统为算例进行仿真计算,验证所提方法的正确性与收敛性。为分析ER对系统运行的影响,对不同场景下IEEE 69节点测试系统进行仿真计算,证明ER在系统中可以支撑节点电压,减小系统运行损耗。

基于改进下垂的多逆变器并联控制策略

针对微电网孤岛运行时,传统解耦式下垂控制策略由于未能考虑线路阻抗的影响,多逆变器并联运行时存在无功功率分配不均、环流等问题,论文提出一种基于自适应电压补偿的改进下垂控制策略。文中首先针对因线路阻抗不同所带来的电压跌落问题,增加了线路压降补偿环节,在此基础上,考虑逆变器出口处电压与母线电压的一致性,改进了下垂控制式,并利用低带宽通信技术获取各逆变器输出功率信息,引入自适应电压补偿环节,提高了逆变器间无功功率的均分精度。最后,基于Matlab平台搭建文章所提控制策略的仿真模型,仿真结果验证了所提控制策略的正确性与有效性。

考虑概率分布的分布式光伏无功下垂控制策略

分布式光伏接入配电网逐渐成为趋势,然而大规模分布式光伏并网将引起严重的潮流逆向,导致电压越限和网损增加。针对分布式光伏接入配电网产生的电压越限问题,提出一种考虑概率分布的分布式光伏无功下垂控制策略,首先,考虑光伏出力的概率分布对光伏电站不同光伏单元当前有功功率的影响,评估计算每个光伏逆变器的可用无功容量;然后,根据各光伏单元当前可用无功容量大小对无功下垂系数进行调整,在不牺牲有功功率的情况下最大限度地利用光伏电站的无功支撑能力;最后,通过PSCAD/EMTDC仿真软件,验证了所提控制策略的有效性。

基于自适应特性的直流微电网双因子下垂控制策略研究

分布式电源DG(distributed generator)出口线路参数不一致及其出力随机扰动引起了直流微电网负荷功率分配精度下降与网侧电压波动。针对上述问题,计及DG运行暂稳态工况,提出1种基于自适应特性的双因子下垂控制策略。首先,稳态运行时考虑线路阻抗的影响并引入电压调节系数,建立双因子下垂系数稳态分量,在阻抗值未知的情况下即可实现负荷功率的精确分配,同时抬升网侧电压,减小与额定电压的差值;其次,暂态过程中考虑DG出力随机扰动的影响并引入分布一致性迭代算法,建立双因子下垂系数自由分量,可在维持DG均衡出力的情况下快速抑制功率扰动与网侧电压波动,提高系统的稳定性;最后,在PSCAD中搭建直流微电网模型,仿真结果证明了所提策略的有效性。

基于二阶一致性算法的电池储能系统SOC均衡及功率分配策略

为延长电池储能系统的整体寿命,需保持储能系统中各单元的荷电状态(state of charge,SOC)均衡。为此,提出一种基于二阶一致性算法的改进下垂控制策略,通过指数函数嵌套变化系数,实现不同容量储能单元快速SOC均衡。在SOC均衡的基础上设计二次控制策略,在一定通信时延下实现频率、电压恢复和有功、无功功率合理分配。最后,以4台储能单元组成的电池储能系统为算例进行仿真,验证了所提控制策略的有效性,SOC能够快速收敛达到均衡状态,频率、电压能够恢复到额定值,有功、无功功率能够按照相应下垂系数比例进行分配。

基于下垂控制的微电网DG选址和功率分配方法研究

在基于下垂控制的微电网运行中,分布式发电机(distributed generators,DG)之间的无功功率共享是一个关键问题。造成无功功率共享不平等的原因包括馈电阻抗差异、负载差异以及DG在尺寸和位置上的不均匀分布。因此,提出一个适用于微电网的混合整数线性规划(mixed-integer linearprogramming,MILP)问题,旨在实现微电网之间的比例无功功率共享。首先,研究了DG的最佳尺寸和放置位置,对涉及的各种非线性项进行了线性化的详细讨论;之后,针对给定的负荷曲线,在这些DG上生成一天的提前调度;然后,为了更准确地建模负载,采用了实际的恒定阻抗-电流-功率(ZIP)负荷模型;最后,用所提方法在一个经过修改的33总线网络上进行测试,实验结果验证了所提出的规划和调度方法的准确性。