考虑控制耦合的微电网动态特性多时间尺度分析方法研究

Compared with the conventional power grids, the micro-grid is small in scale, its electrical distance is short and it is lacking of physical inertia. There is a complex coupling between different control loops which responded with different time scale.It will makes the dynamic behavior analysis of the system more complicated. This project focuses on two scientific problems about the coupling and interaction mechanism of different control loops in micro-grid and variation principle of system states after disturbance. Centered on these two key scientific problems, following researches will be carried out. Firstly, from the view of equipment, order reduction method that can resolve full-order model of typical grid-connected inverters as fast and slow subsystems with coupling reserved will be presented. Then, from the view of system, equivalent modeling of fast and slow subsystems of grid-connected inverters in the micro-grid is studied. At last, the relationship between dynamic characteristics parameters and structure of micro-grid and inverters in different time scales will be analyzed, which is expected to provide theoretical basis for mechanism analysis and suppression strategy of wide-band oscillation in the micro-grid. The project will be carried out by combing relative theoretical researches and digital physical hybrid simulation platform of the micro-grid. The results of the project can be used to provide guidance for establishment of micro-grid and design for control parameters of grid-connected inverters, and can provide the theoretical basis for micro-grid operation and control.

与常规大电网相比，微电网规模小、电气距离短且物理惯性缺乏，不同响应时间尺度控制环之间存在耦合作用，使其系统动态行为分析更加复杂。项目围绕微电网中不同控制环耦合与相互作用机制以及扰动后系统多时间尺度动态特性分析方法两个关键科学问题开展以下研究：首先从装备层面，提出在保留耦合作用的前提下将典型逆变器全阶模型分解为“快慢”不同子系统的降阶方法；进而从系统层面，研究将微电网多逆变器“快慢”子系统模型等值聚合方法，建立微电网系统的分层耦合模型；最后解析不同尺度下微电网动态特性参量（惯量与阻尼）与其结构规模、逆变器控制参数的关系，以期为微电网宽频带振荡机理分析与抑制提供理论依据。项目结合前期相关理论研究以及微电网数字物理混合仿真平台建设展开研究，研究成果可用于指导微电网中逆变器的控制参数设计，并可为微电网规划运行控制与系统分析提供理论基础。

与常规大电网相比，微电网规模小、电气距离短且物理惯性缺乏，不同响应时间尺度控制环之间存在耦合作用，使其系统动态行为分析更加复杂；微电网系统动态行为分析复杂以及工程实践中易出现宽频带振荡等问题，严重影响了微电网的安全稳定运行。本项目围绕微电网中不同控制环耦合与相互作用机制以及扰动后系统多时间尺度动态特性分析方法两个关键科学问题开展研究。本项目的难点是：不同时间尺度下的微电网动态问题与不同时间尺度控制环不是简单的一一对应，而是相互耦合，使得微电网系统动态系统行为分析更加复杂。本项目采用了小信号建模、奇异摄动法和平衡实现理论，建立保留耦合作用下的逆变器“快慢”不同尺度的降阶模型；采用了基于哈密顿的同调理论，建立多逆变器的“快慢”子系统聚合模型，并分析了微电网逆变器群间交互以及微电网与电网的交互作用；采用阻尼转矩法分析了微电网惯量和阻尼与器控制参数的关系，并按照时间尺度分析了微电网动态特性与相关尺度控制参数间的关系；采用基于偏频电流注入法实现微电网逆变器阻抗测量，并以虚拟同步型微电网逆变器为对象，分析了微电网逆变器的参数设计方法。基于上述研究成果项目发表论文18篇，申请发明专利3项；完成10名学生培养，其中已毕业博士研究生2名、硕士研究生5名；部分研究成果已经用于指导实际微电网逆变器的生产与入网应用，并作为主要支撑成果取得了2020年中国电力科技进步一等奖和2021年湖北省科学技术进步一等奖。项目提出的微电网多时间尺度降阶建模交互作用、动态特性分析方法以及逆变器动态参数辨识和参数优化设计方法具备广阔的应用前景，可为电力电子化电力系统的多尺度控制交互作用和振荡分析提供思路和方法，也可以为规划设计中微电网的并网逆变器结构参数、控制参数优化提供理论依据和设计指导。