新能源发电并网变流器故障穿越能力的多时间尺度评估方法研究

In new energy power generation system, power electronic grid-connected converters are sensitive to grid faults and disturbance, but present power converter design is usually not considering the fault ride-through capability of the converter and the behavior during the transient. Therefore, this proposal is facing the problem of the complex behavior of grid-connected converters during the fault and disturbance, researching the evaluation method for it. Firstly, the multi-time-scale transient response of grid-connected converters due to the fault and disturbance will be analyzed, the security of the converters is described. Then, the differential algebraic equation model of the converter system will be derived by multi-time-scale decomposing. The constraints of the model will be given in critical parameter space by nonlinear bifurcation analysis. Finally, the penalty factor will be derived to evaluate the fault ride-through capability by singular perturbation method. This research will enrich the nonlinear dynamic research of grid-connected converters and establish a practical evaluating method for grid-connected converter fault ride-through capability. This will give strong support for the security of new energy power generation system.

在新能源并网发电系统的应用中，电力电子并网变流器对电网故障和扰动敏感，其运行行为影响并网导则中故障穿越要求的实现，现有变流器设计中通常未考虑其对故障冲击过程的耐受程度。为此，本申请面向并网变流器在故障和扰动下的运行问题，研究并网变流器安全分析和评估方法。首先，项目分析并网变流器在电网故障和扰动下动态响应的机理，识别变流器运行的多时间尺度非线性特征，揭示变流器安全性特征。其次，建立并网变流器时间尺度分解下的微分-代数方程组，基于非线性分岔分析提出在关键参数空间中的变流器运行安全域。最后，提出运行安全域变化的惩罚因子，采用奇异摄动模型方法，评估变流器的故障穿越能力。本申请将完善并网变流器非线性运行特性的研究，从变流器自身耐受冲击能力出发建立实用化的变流器设计评估体系，为新能源发电安全稳定并网发电提供技术支撑。

本项目研究中，首先考虑并网系统故障保护要求，针对模块化多电平变换器，基于离散建模方式，提出了故障电流快速估计方法并进行了仿真实验验证。其次，针对三相电压源型并网变换器，识别了系统电压跌落时系统的分岔和失稳现象，揭示了系统灾难性分岔的物理机理，进而用混合势函数理论提出了系统大扰动下稳定性判据，分析了关键参数对大信号稳定性的影响，并以故障深度、故障持续时间等参数为指标对变换器故障耐受能力进行评估。此外，研究了三相并网变换器锁相环的运行特性，分析了不平衡电网条件下锁相环的输出及其对系统影响，给出了相应的补偿控制方案。最后，针对关键电力电子器件寿命和老化问题，研究了光伏并网变换器中电解电容和功率半导体器件，进行失效机理分析和可靠性建模，提出了电解电容和电感选择的优化设计方法。项目研究从保护、系统稳定性、器件可靠性等不同时间尺度对并网变流器系统进行了评估，最后提出了较为实用的可量测指标体系，为并网变流器耐受冲击能力设计提供了参考。