雙重電網形成轉換器：一種基於複頻率的新型電網同步方法

Kernkonzepte

本文提出了一種基於複頻率理論的新型雙重電網形成轉換器控制策略，該策略利用瞬時頻寬而非瞬時頻率作為調節變數來維持電網的功率平衡，並展示了該策略在電力系統中的穩定性和有效性。

Zusammenfassung

雙重電網形成轉換器：一種基於複頻率的新型電網同步方法

本文介紹了一種基於複頻率理論的新型雙重電網形成轉換器 (GFM) 控制策略。不同於傳統 GFM 模擬同步發電機的控制方式，該策略利用電壓幅值的變化率（瞬時頻寬）而非電壓相位的變化率（瞬時頻率）來維持電網的功率平衡。

雙重擺動方程式

傳統同步發電機的擺動方程式基於轉子角度，而本文提出的雙重擺動方程式則基於虛擬內電動勢的幅值和相位。該方程式利用瞬時頻寬作為狀態變數，並通過調節虛擬內電動勢的幅值來維持功率平衡。

雙重一次控制器

與傳統 GFM 類似，雙重 GFM 也採用雙迴路控制策略。然而，與傳統 GFM 利用有功功率調節頻率、無功功率調節電壓不同，雙重 GFM 採用有功功率調節電壓、無功功率調節頻率的控制方式。

案例分析

本文通過 WSCC 9 節點系統和愛爾蘭輸電系統的動態模型驗證了雙重 GFM 控制策略的有效性。模擬結果表明，該策略能夠在負載跳變和三相短路故障後有效地恢復系統的正常運行狀態。

主要貢獻

• 提出一種基於複頻率理論的新型雙重 GFM 控制策略，該策略利用瞬時頻寬而非瞬時頻率作為調節變數來維持電網的功率平衡。
• 通過數學推導和模擬驗證，證明了該策略的穩定性和有效性。
• 展示了該策略在電力系統中應用的潛力，特別是在分佈式發電和低壓電網中的應用。

未來研究方向

• 進一步研究基於複頻率的雙重 GFM 控制策略，探索其在不同運行條件下的性能。
• 研究該策略在直流電網中的應用。
• 開發基於該策略的無 PLL 控制方案。

Statistiken

本文使用了 WSCC 9 節點系統和一個包含 1479 個節點的愛爾蘭輸電系統動態模型進行模擬驗證。
在案例研究中，雙重 GFM 控制器的參數設置為：K = 0.1 或 1，˜M = 15 或 30 秒，˜D = 0.5 或 20，˜Tm = 2 秒，˜R = 0.05，Kq = 10，Tq = 5 秒，˜Kr = 40，˜Tr = 1 秒。

Zitate

"This letter proposes a dual model for grid-forming (GFM) controlled converters. The model is inspired from the observation that the structures of the active and reactive power equations of lossy synchronous machine models are almost symmetrical in terms of armature resistance and transient reactance."
"This work, on the other hand, considers the dual parts of (1) and (2), that is, the terms that depend on the armature resistance and suppose that the reactance x′d is zero or negligible. This can be done because a converter is not a machine with physical coils and its parameters can be tuned as desired."
"It is important to note that the virtual angular speed does not appear in the formulation of the dual-GFM control except for the time derivative of the internal signal δ in (19). This is consistent with synchronous machines, where ϱ does not appear anywhere except for the time derivative of the internal emf e in (18)."

Wichtige Erkenntnisse aus

Dual Grid-Forming Converter

by Federico Mil... um arxiv.org 11-12-2024

https://arxiv.org/pdf/2408.13185.pdf

Tiefere Fragen

在實際應用中，如何解決雙重 GFM 控制策略對電壓幅值測量精度較高的要求？

雙重 GFM 控制策略的確對電壓幅值的測量精度有較高要求，因為其主動功率控制直接依賴於電壓幅值的變化率 ϱ。以下是一些可以提高電壓幅值測量精度的方法：

採用高精度的電壓傳感器: 選擇具有高精度、低噪聲、低溫漂特性的電壓傳感器是提高測量精度的基礎。
優化傳感器安裝位置: 傳感器的安裝位置應盡量靠近逆變器，以減少線路阻抗和外部干擾對測量結果的影響。
應用先進的信號處理技術:

可以使用低通濾波器濾除高頻噪聲和諧波，提高信號的信噪比。
採用基於模型的估計方法，例如卡爾曼濾波器，可以結合系統模型和測量數據，對電壓幅值進行更準確的估計。

校準和補償: 定期對電壓傳感器進行校準，並根據環境溫度變化進行補償，可以有效降低測量誤差。

需要注意的是，雖然雙重 GFM 控制策略對電壓幅值測量精度要求較高，但其對頻率測量的要求相對較低。因此，在實際應用中，可以根據具體情況選擇合适的測量方法和控制策略，以達到最佳的控制效果。

與傳統 GFM 控制策略相比，雙重 GFM 控制策略在電網故障下的動態性能如何？

根據文中提供的仿真結果和對雙重 GFM 控制策略的分析，可以得出以下關於其在電網故障下動態性能的結論：
優點:

更強的電壓支撐能力: 由於主動功率直接參與電壓調節，雙重 GFM 能夠在電網故障時提供更快速、更精確的電壓支撐，抑制電壓波動。
更快的故障恢復速度: 得益於電壓調節的快速響應，系統在故障清除後能夠更快地恢復到穩定狀態。
對頻率測量要求低: 雙重 GFM 不依赖于频率测量来维持功率平衡，因此在频率波动较大或频率测量不可靠的情况下，仍能保持良好的控制性能。
潜在的缺點:

對電壓測量精度要求高: 如前所述，雙重 GFM 的性能很大程度上取决于電壓測量的精度。
控制策略較為複雜: 相比于传统的 GFM 控制，双重 GFM 的控制策略设计和参数整定更为复杂，需要更深入的理论分析和仿真验证。
總結:
总体而言，双重 GFM 控制策略在電網故障下展现出更优的动态性能，尤其是在電壓控制方面。但其对電壓測量精度要求高，控制策略也更复杂，需要在实际应用中权衡利弊，并进行充分的测试和验证。

如果將複頻率理論應用於其他電力電子設備的控制，例如柔性交流輸電系統 (FACTS) 和儲能系統 (ESS)，會產生哪些新的控制策略和應用？

将複頻率理論應用於 FACTS 和 ESS 等電力電子設備的控制，為開發新的控制策略和應用開闢了新的可能性，例如：
1. 基于複頻率的 FACTS 控制:

提升系統阻尼: 可以利用複頻率理论分析 FACTS 设备对系统阻尼的影响，并设计基于複頻率的阻尼控制器，提高电力系统的小信号稳定性和暂态稳定性。
灵活调节电压和潮流: 通过控制 FACTS 设备的複頻率特性，可以更灵活地调节系统电压和潮流分布，提高电网的输电能力和运行效率。
2. 基于複頻率的 ESS 控制:

增强频率和电压支撑: 可以利用 ESS 的快速响应特性，结合複頻率理论，设计新的控制策略，在电网频率和电压波动时提供更快速、更精准的支撑。
提高可再生能源消纳能力: 可以利用 ESS 储存可再生能源发电，并通过基于複頻率的控制策略，平滑可再生能源的输出功率波动，提高其并网稳定性和消纳能力。
3. 新的应用场景:

虛擬同步機: 可以利用複頻率理论，将 ESS 和 FACTS 设备虚拟成具有惯性和阻尼特性的同步发电机，参与电网频率和电压调节，提升系统的稳定性和可靠性。
微电网控制: 在微电网中，可以利用複頻率理论，设计基于电力电子设备的控制策略，实现对微电网频率、电压和功率的灵活控制，提高微电网的 автономность 和稳定性。
总而言之，将複頻率理论应用于 FACTS 和 ESS 等电力电子设备的控制，具有巨大的潜力，可以开发出新的控制策略和应用，提高电力系统的稳定性、可靠性和运行效率。