并网逆变器发电系统的直流电压时间尺度动态过程分析与控制

With the increased permeation of inverter-based generation systems, a new timescale relative to the DC voltage control bandwidth is emerging in the timescale characteristic of grid dynamics, namely, DC Voltage Timescale (DVT). The DVT dynamics involve many physical processes and control links, and it is closely related to the majority of newly-emerging oscillation issues. However, the lack of models and methods appropriate for the dynamic stability analysis on DVT restricts the development of stability control techniques for grid integrating more inverter-based generation system. This project is trying to refer to the electromechanical dynamic analysis for the synchronous-machine-based generation systems and focus on the characteristics, analysis and control of DVT dyanmics of inverter-based generation systems. Firstly, the physical mechanism and control process involved in DVT dynamics will be emphasized, and the identifying parameters for DVT dynamics will be presented. Secondly, the static synchronous generator model and corresponding methods for inverter DVT dynamic analysis will be extended to the whole inverter-based generation systems including primary energy, hereby, a contrastive analysis will be done on the DVT dynamics and stability under the classic dynamic control strategies. Finally, through the collaborative operation of the components of generation system in DVT dynamics, an inertia control method is proposed in inverter-based generation system, helping enhancing the grid stability.

逆变器发电系统的规模化应用，使电网动态的时间尺度特征新增了与直流电压控制带宽有关的新尺度，即直流电压时间尺度（DC Voltage Timescale，DVT），该尺度的动态过程覆盖了逆变器系统的诸多动态环节，与电网新出现的绝大部分振荡问题密切相关。但目前还缺乏适用于DVT动态稳定分析的模型和方法，从而制约了逆变器系统辅助电网稳定控制技术的发展。项目拟借鉴同步机发电系统的机电时间尺度动态分析方法，聚焦逆变器发电系统DVT动态特性的表征、分析与控制问题：首先，厘清DVT动态涉及的物理过程与控制环节，提出表征DVT动态特性的关键参数；其次，将用于逆变器DVT动态分析的静止同步发电机模型及其方法推广至含一次能源在内的整个发电系统，并据此对比分析系统在典型动态控制策略下的DVT动态特性与稳定性；最后，通过发电系统内部各个构件在DVT动态上的协同运行，提出可辅助电网稳定的逆变器发电系统惯性控制方法。

项目通过借鉴传统同步机发电系统的机电时间尺度动态分析与控制方法，研究了并网逆变器发电系统直流电压时间尺度（DC Voltage Timescale，DVT）动态特性的表征、分析、控制问题，取得了一系列创新性的成果。首先，厘清了DVT动态涉及的物理过程与控制环节，提出了并网逆变器发电系统DVT动态特性的表征方法及相关概念，包括等效惯量系数、阻尼系数、同步系数；其次，将用于并网逆变器DVT动态特性分析的静止同步发电机模型及其分析方法推广到了含一次能源在内的光伏发电、并网储能、直驱型风电系统等典型并网逆变器发电系统，对比分析了上述系统在典型动态控制策略下的DVT动态特性，揭示了DVT动态特性的影响因素及其影响规律；最后，通过并网逆变器发电系统内部各个构件在DVT动态过程上的协同运行，分别提出了计及能量约束、功率约束的并网逆变器发电系统动态特性控制方法，并在能量约束条件、功率约束条件未知的运行场景下提出了以电网频率安全指标为导向的并网逆变器发电系统动态特性控制方法；此外，还研制了半实物仿真实验平台以及与此相关的软硬件设备，通过实验验证了机理分析结论的正确性以及所提控制方法的有效性、先进性。本项目提出的表征方法以及相关物理概念具有物理意义清晰的显著特点，有助于从物理机制上分析系统的动态特性以及失稳机制；提出的动态特性分析方法兼容了传统电力系统中的经典理论、工具与方法，有助于电力系统工程师借鉴已有的理论知识来迅速理解新出现的动态稳定问题；提出的控制方法分别计及了能量约束、功率约束以及安全约束，充分利用了并网逆变器发电系统自身的能量资源、逆变器容量资源以及其他构件的控制能力，综合地提升了并网逆变器系统辅助电网稳定运行的控制能力。本项目的研究成果有助于解决并网逆变器发电系统规模化应用之后新出现的与直流电压控制带宽密切相关的绝大部分振荡问题以及频率动态安全稳定控制问题，并最终推动新能源以及并网逆变器设备更加快速安全地进入现代电力系统。