[论文解读] Dispatchable Virtual Oscillator Control for Decentralized Inverter-dominated Power Systems: Analysis and Experiments

Gab‐Su Seo, Marcello Colombino+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2018

Microgrid Control and Optimization参考文献 17被引用 12

一句话总结

本文提出可调度虚拟振荡器控制（dVOC），一种去中心化的、具有电网形成能力的逆变器控制策略，可在保持强稳定性和优异动态性能的同时实现实时功率设定点调节。该方法仅通过本地测量即可实现瞬时同步、负载共享和黑启动能力，已在包含多台逆变器的实验平台上得到验证，同步时间仅150 ms，无电流超调。

ABSTRACT

This paper presents an analysis and experimental validation of dispatchable virtual oscillator control (dVOC) for inverter-dominated power systems. dVOC is a promising decentralized control strategy that requires only local measurements to induce grid-forming behavior with programmable droop characteristics. It is dispatchable i.e., the inverters can vary their power generation via user-defined power set-points and guarantees strong stability. To verify its feasibility, a testbed comprising multiple dVOC-programmed inverters with transmission line impedances is designed. With an embedded synchronization strategy, the dVOC inverters are capable of dynamic synchronization, black start operation, and transient grid voltage regulation with dynamic load sharing, and real-time-programmable droop characteristics for backward compatibility. All these features are experimentally verified.

研究动机与目标

• 解决传统虚拟振荡器控制（VOC）在逆变器主导电力系统中缺乏可调度性的问题。
• 在微电网中实现无需依赖同步发电机的去中心化、稳定电网形成运行。
• 设计一种控制策略，通过可编程设定点支持实时功率潮流优化，同时保持固有的动态稳定性。
• 通过实验验证 dVOC 在动态同步、黑启动、负载共享和设定点重构方面的能力。
• 展示与现有下垂控制的向后兼容性，并在瞬态性能方面优于标准下垂方法。

提出的方法

• dVOC 实现了一种基于虚拟振荡器模型的非线性下垂律，将功率设定点嵌入控制动态中。
• 该控制仅依赖本地电压和电流测量，实现无需通信的即插即用运行。
• 基于动态锁相环的同步策略可确保孤岛运行和黑启动期间电压与频率的稳定恢复。
• 控制器根据用户定义的设定点动态调节有功与无功功率输出，同时通过李雅普诺夫分析确保系统稳定性。
• 系统在包含多台逆变器、LCL 滤波器和输电线路阻抗的硬件测试平台上实现，以模拟真实电网条件。
• 实验验证包括黑启动、逆变器接入以及在不同负载条件下实时设定点更新。

实验结果

研究问题

• RQ1 去中心化的逆变器控制策略是否能在保持虚拟振荡器控制动态稳定性的同时实现可调度性？
• RQ2 dVOC 使能的逆变器在孤岛运行或新增逆变器时，同步和负载共享的速度如何？
• RQ3 dVOC 是否能在无外部电网支持的情况下支持黑启动操作？
• RQ4 dVOC 在多大程度上支持通过设定点更新实现实时功率潮流重构？
• RQ5 与传统下垂控制相比，dVOC 在瞬态响应和电流超调方面表现如何？

主要发现

• dVOC 在逆变器接入后 150 ms（10 个周期）内实现了多台逆变器的动态同步，无显著电流超调。
• 系统成功从零电压黑启动，测量噪声足以触发电压建立至稳定的正弦波形。
• 在 250 W 至 750 W 负载瞬态变化下，dVOC 实现了近乎瞬时的负载共享，无电流超调，且频率快速恢复至 60 Hz。
• 当逆变器 #2 的有功功率设定点从 250 W 增加至 500 W 时，功率共享比例由 375 W : 375 W 转变为 250 W : 500 W，频率恢复至额定 60 Hz。
• 理论分析证实，dVOC 系统在一致设定点下相对于期望的交流功率流动解具有全局渐近稳定性。
• dVOC 中嵌入的非线性下垂律可确保稳定电压调节和固有负载共享，即使在动态扰动下亦然。