跟网型风电场与构网型储能混合系统的序阻抗建模与特性分析

《Electric Power Systems Research》：Sequence impedance modeling and characteristics analysis of grid-following wind farm and grid-forming energy storage hybrid system

　　

•建立了GFL-WF和GFM-ESS的序阻抗模型，其中GFL-WF通过具有LCL接口的诺顿等效聚合模型表示，而GFM-ESS同时集成了基于VSG的外层功率环和电压-电流双层内环。•利用奈奎斯特判据下的阻抗比法研究了GFL-WF/GFM-ESS混合系统的稳定性，揭示了GFM-ESS集成对等效电网阻抗的影响及相关的低频振荡机制。•提出了一种自适应阻尼系数控制策略，在不改变原始VSG控制结构的前提下通过提供附加阻尼来抑制低频振荡。•所提出的框架整合了阻抗建模、阻抗交互分析、稳定性评估和振荡抑制，为弱电网条件下提高GFL/GFM混合可再生能源系统的稳定性提供了系统化方法。引言跟风机场（GFL-WF）是可再生能源并网的主流方案。然而，由于通常涉及长距离输电线路，它往往连接到弱电网，这使得稳定性问题更容易发生[1,2]。在此背景下，基于虚拟同步发电机（VSG）的构网型控制被认为是增强弱电网中可再生能源并网稳定性的有前景的解决方案，因为它能够主动提供电压和频率调节[3]。特别是，将构网型储能系统（GFM-ESS）与广泛采用的GFL-WF相结合形成互补的混合系统，已成为学术界和工业界的研究焦点[[4], [5], [6]]。这种混合系统有望结合GFL-WF的高能源利用效率和GFM-ESS的电网支撑能力，从而在弱电网条件下实现高效的风电输送[7]。然而，这种混合系统的动态交互机制和稳定性边界仍然不清楚。现有研究利用传递函数和状态空间模型分析了由跟网型（GFL）和构网型（GFM）变流器组成的并联系统，并表明GFL策略更适合强电网，而GFM策略在弱电网中更有优势[8,9]。两种变流器类型在控制原理上存在根本差异：GFL可建模为受控电流注入单元，其输出阻抗主要由锁相环（PLL）和电流控制环决定，而GFM可表示为受控电压源单元，其输出阻抗主要由VSG功率环塑造[1]。在弱电网条件下，它们的并联运行可能因PLL和内环动态引发振荡，而它们之间的阻抗交互可能进一步导致慢速交互驱动的失稳[10,11]。因此，对GFL-WF和GFM-ESS进行精确的阻抗建模及其交互分析对于稳定运行至关重要。功率电子系统的稳定性已广泛使用基于谐波线性化的序阻抗模型进行了研究[12]。接口滤波器拓扑是影响功率电子变流器阻抗特性和稳定性机制的重要因素。具体来说，电感（L）、电感-电容（LC）和电感-电容-电感（LCL）滤波器由于其不同的滤波器结构而表现出不同的阻抗特性。采用L滤波器时，变流器通过滤波器电感与电网直接耦合。LC滤波器引入了并联电容及相关谐振动态，导致电压控制动态与滤波器谐振之间产生耦合。LCL滤波器进一步引入了电网侧电感，导致高阶阻抗动态和更复杂的谐振特性。这些差异随后影响了基于阻抗的变流器稳定性机制[13,14]。对于跟网型风力涡轮机（GFL-WT）变流器，传统单变流器系统已有成熟的框架可用[15]。然而，大多数现有研究关注的是LC型变流器接口，而主流的大规模第四型风力涡轮机通常采用LCL型并网接口[16]，其阻抗特性与传统的基于LC的配置不同。尽管[17]中已建立了LCL型并网逆变器的序阻抗模型，但该研究仅限于单个逆变器而非聚合风电场，具有LCL接口的诺顿等效聚合风电场的阻抗机制研究仍不充分。对于构网型变流器，现有文献已开发了基于VSG功率同步环的序阻抗模型[7]。此外，[18]建立了基于VSG的第四型风力涡轮机的序阻抗模型，考虑了电压-电流双闭环控制以及解耦和前馈补偿策略。然而，该模型也是针对单个风力涡轮机而非储能系统开发的。因此，将序阻抗建模框架扩展到GFM-ESS并进一步研究GFL-WF/GFM-ESS混合系统的阻抗交互和振荡特性仍是必要的。GFM-ESS的集成改变了GFL-WF的电网环境，在公共耦合点（PCC）形成了新的等效电网。由此产生的变化可能与风电场阻抗在特定频率范围内交互，从而引入次/超同步振荡风险[19]。因此，混合系统的稳定性评估比单变流器系统更具挑战性。现有缓解方法主要依赖优化GFL-WF的PLL参数[20]。然而，GFM-ESS的集成改变了等效电网阻抗，使得此类方法的有效性不确定。对于混合系统的稳定性，先前研究调查了无功功率协调[21]、功率振荡演化[22]以及GFL和GFM运行模式转换期间的稳定性控制[23]。尽管如此，这些研究主要关注控制策略或功率级分析，而从宽带阻抗特性角度来看GFL-WF与GFM-ESS之间的交互机制了解仍不充分。GFM变流器的集成改变了混合系统中阻抗模型的极点分布[24]。基于阻抗的方法已用于分析由GFM-ESS和GFL光伏系统组成的混合系统的稳定性；然而，未考虑风电场的聚合效应[25]。此外，已揭示了GFM-ESS变流器正序阻抗在50 Hz附近的负阻容特性，而其与混合系统中低频振荡的关系仍未被探索[26]。关于振荡抑制，传递函数法已用于分析VSG的振荡传递机制[27]，在此基础上开发了小信号模型和参数设计方法[28,29]。虚拟惯性对并网变流器动态行为的影响也得到了研究[30]，同时考虑了VSG的频率-电压耦合效应以阐明低频振荡的传播机制[31]。还进一步开发了前馈-反馈复合控制以提高VSG的动态和稳态性能[32]。这些研究主要关注单个GFM变流器的内部动态特性、振荡机制或控制设计。STATCOM/BESS协调控制已被用于抑制风电场中的次同步振荡；然而，附加的阻尼环修改了原始的VSG控制环[33]。对于高风电渗透率场景，已建立了GFL/GFM混合系统的模块化阻抗模型，以研究不同风能和ESS容量比对系统稳定性的影响[34]。此外，已提出了基于神经网络的VSG自适应阻尼策略以增强系统的动态适应性，但其控制结构相对复杂，且尚未应用于高风电渗透率的GFL/GFM混合系统[35]。表1从建模对象、交互机制和稳定性改善方面将本文与上述代表性研究进行了比较。本文的主要贡献总结如下：1）建立了GFL-WF和GFM-ESS的序阻抗表示，其中GFL-WF被建模为具有LCL接口的变流器诺顿等效聚合，而GFM-ESS模型不仅集成了基于VSG的外层功率环，还集成了电压-电流双层内环。在此基础上，分析了两个子系统在不同频率范围内的阻抗特性。2）利用阻抗比奈奎斯特判据揭示了GFL-WF与GFM-ESS之间的阻抗交互机制。结果表明，GFM-ESS通过降低等效电网阻抗的幅值来增强GFL-WF的电网接入能力，而其对电网阻抗相位的重塑导致基波频率附近发生相位反转，从而随着风电渗透率的增加引入低频振荡风险。3）为缓解这些低频振荡，提出了一种自适应阻尼系数控制策略（ADCCS）。阻尼系数根据瞬时VSG虚拟角速度偏差和内部电动势相位角进行在线调整，在不改变原始VSG控制结构的前提下提供附加阻尼。本文其余部分安排如下。第2节介绍了集成GFL-WF和GFM-ESS的混合系统的总体配置和控制策略。第3节介绍了两个子系统的序阻抗建模和阻抗特性。第4节分析了混合系统的阻抗交互和稳定性，并进一步提出了ADCCS。第5节在RT-LAB平台上进行电磁暂态仿真以验证分析结果并评估所提策略的性能，第6节总结了全文。章节摘要弱电网条件下的GFL-WF和GFM-ESS混合系统图1展示了风储混合系统的单线图。在此混合系统中，GFL-WF和GFM-ESS通过升压变压器与PCC接口连接，共同形成一个混合基站电源，可以供电本地负载并连接主电网。GFL-WF由基于齿轮箱外接励磁同步发电机的第四型全变流器风力涡轮机推导出的聚合等效模型表示。因此，GFL-WF主电路GFL-WF和GFM-ESS的序阻抗表示和特性分析本文通过谐波线性化开发了GFL-WF和GFM-ESS的序阻抗模型，遵循[1,12]中的推导过程和公式。在三相对称条件下，VSC在αβ坐标系中的输出电压和电流的频域表达式为：vα[f]={V1,f=±f1Vp,f=±fpVn,f=±fn, vβ[f]={?jV1,f=±f1?jVp,f=±fp±jVn,f=±fn, iα[f]=1/N{I1,f=±f1Ip,f=±fpIn,f=±fn, iβ[f]=1/N{?jI1,f=±f1?jIp,f=±fp±jIn,f=±fn, 其中V1、Vp和Vn分别指...GFL-WF和GFM-ESS混合系统的稳定性分析在奈奎斯特稳定性判据下，电网对逆变器的阻抗比可用于评估逆变器-电网系统的稳定性[37]。图5展示了由GFL-WF和GFM-ESS组成的混合系统的小信号表示。电磁暂态实时仿真结果如图16所示，在基于RT-LAB平台的OP5707XG仿真器上建立了实时电磁暂态数字仿真模型。用于验证GFL-WF和GFM-ESS的序阻抗模型并验证稳定性分析的正确性。参数与前面的分析一致。通过任意函数发生器（AFG2021-SC）向仿真器注入1至3000 Hz的正弦扰动电压，...结论本文研究了集成GFL-WF和GFM-ESS的弱电网混合系统，重点在于序阻抗建模、稳定性评估和振荡缓解。首先，开发了GFL-WF和GFM-ESS的序阻抗模型，并研究了其阻抗特性。然后，根据应用于阻抗比的奈奎斯特判据评估混合系统的稳定性。结果表明，GFM-ESS增强了等效...CRediT作者贡献声明许军华：写作—审阅与编辑，监督，项目管理，概念化。李英恒：写作—初稿，可视化，调查。梁志建：监督，资源。谢永增：写作—审阅与编辑，监督。黄现伟：写作—审阅与编辑，监督。李志九：软件，资源。莫小勇：软件，资源。许军华|李英恒|梁志建|谢永增|黄现伟|李志九|莫小勇