[论文解读] Effects of current limit for grid forming converters on transient stability: analysis and solution

Kanakesh Vatta Kkuni, Guangya Yang|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2021

Microgrid Control and Optimization被引用 9

一句话总结

本文指出，电网型并网变流器（GFC）的电流限幅功能在频率跃升、相位跳变和电压跌落等大扰动事件中可能严重损害暂态稳定性。为此，本文提出一种基于未饱和电流参考值的虚拟有功功率方法，以在电流限幅运行期间维持同步，该方法通过电力硬件在环（PHIL）测试得到验证，展示了在多种暂态场景下稳定性裕度的显著提升。

ABSTRACT

Grid forming control applied to power converters that interface storage or renewable generation to the power grid, has been identified as a potential solution to facilitate a substantial share of converter-based renewable generation in the power system. Analyzing the response of grid forming converters (GFC) for large frequency, phase, and voltage events, particularly when the GFC enters the current limit operation, is very important for system stability, but studies on this have been limited. This paper presents a quantitative and illustrative analysis of the impact of the current limit in GFC on the transient stability of a system comprising of GFC. Furthermore, a solution based on virtual active power is proposed to improve the transient stability margin of the GFC when the GFC enters the current limit. Finally, the analysis and the proposed method to enhance the transient stability are verified by Power hardware in the loop (PHIL) experimental tests.

研究动机与目标

• 分析在频率变化、相位跃迁和电压跌落等大系统扰动下，电流限幅对电网型并网变流器（GFC）暂态稳定性的影响。
• 识别当GFC进入电流限幅运行时，基于功率的同步环路因饱和（wind-up）而引发的失稳风险。
• 开发一种鲁棒解决方案，确保在不依赖额外控制环路或锁相环（PLL）的前提下，于电流限幅期间维持同步。
• 通过在无限大母线系统和经改造的IEEE-9节点系统（低惯性）上开展的电力硬件在环（PHIL）实验，验证所提方法。

提出的方法

• 本文对在三种主要扰动（大频率变化（RoCoF）、相位跳变、电压跌落）下启用电流限幅的GFC进行了定量暂态稳定性分析。
• 在电流限幅运行期间，从未饱和电流参考值中提取虚拟有功功率信号，替代实际测量的有功功率用于同步环路。
• 该方法避免依赖外部锁相环（PLL）或复杂参数整定，确保在进入和退出电流限幅时实现无缝过渡。
• GFC控制在基于FPGA的数字控制器上实现，采用梯形积分法和40 µs采样周期，采用比例内环电流控制并集成电流限幅功能。
• 通过RTDS实时仿真系统与物理VSC硬件接口开展PHIL实验，采用信号缩放和低通滤波（250 µs）以确保系统稳定。
• 系统在无限大母线模型和两台同步发电机被替换的改造版IEEE-9节点系统上进行测试，模拟未来低惯性电网环境。

实验结果

研究问题

• RQ1 电网型并网变流器在大频率扰动下，电流限幅如何影响其暂态稳定性？
• RQ2 在相位跳变或电压跌落事件中，当GFC进入电流限幅运行时，其同步性丧失的根本原因是什么？
• RQ3 能否通过从未饱和电流参考值导出的虚拟有功功率信号，在不增加额外控制环路的前提下，维持电流限幅期间的同步？
• RQ4 在电流限幅条件下，所提方法与传统基于实测有功功率的同步方法相比表现如何？
• RQ5 所提解决方案在不同类型的系统扰动下，能将暂态稳定性裕度提升至何种程度？

主要发现

• 当使用实测有功功率进行同步时，GFC在低惯性系统中发生VSC1脱网等大扰动时会失去同步，尤其在低功率设定点和5% P-f下垂特性下更为明显。
• 所提出的虚拟有功功率方法可实现电流限幅期间的无缝进入与退出，确保在所有测试暂态事件中均保持同步。
• 在无限大母线系统中，PHIL实验结果与仿真分析在RoCoF、相位跳变和故障事件中表现出极佳的一致性。
• 在改造版IEEE-9系统中，采用虚拟功率的GFC在100 MW发电机组脱网事件中保持了同步，而传统方法则失败。
• 该方法无需额外控制结构或PLL备用机制，即可提升暂态稳定性裕度，增强了系统鲁棒性与可靠性。
• 通过使用虚拟功率，即使实际有功功率反馈因电流限幅而饱和，也能确保系统稳定运行，防止同步环路发生饱和（wind-up）现象。