f-P vs P-f based Grid-forming Control under RoCoF Event Considering Power and Energy Limits

📄 arXiv: 2412.05769v1 📥 PDF

作者: Chu Sun

分类: eess.SY

发布日期: 2024-12-08

💡 一句话要点

针对RoCoF事件下功率和能量限制，提出f-P混合型构网控制策略

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 构网控制 频率控制 功率限制 弱电网 RoCoF 可再生能源 混合控制

📋 核心要点

  1. 传统P-f构网控制在能量资源受限时，难以同时保证功率限制和电网同步，存在潜在风险。
  2. 提出f-P和Q-V混合控制，旨在提升构网变流器在功率受限情况下的电网同步能力，同时保持GFM性能。
  3. 对比研究表明，所提出的混合控制策略在弱电网条件下，功率限制和电网同步方面优于传统P-f控制。

📝 摘要（中文）

构网型（GFM）变流器被认为是提高电力系统中可再生能源渗透率的关键技术之一。然而，本文指出，传统的功率-频率（P-f）GFM控制在变流器的能量资源达到极限时，将面临保持功率限制和电网同步的两难境地。为了解决这一挑战，提出了一种频率-功率（f-P）和无功功率-电压（Q-V）混合控制策略。该策略表现出与传统GFM控制相似的性能，尤其是在弱电网条件下，但在功率限制和电网同步方面更具优势，比较研究证明了这一点。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决传统P-f构网控制在可再生能源渗透率高、变流器能量资源受限的情况下，难以同时维持功率限制和电网同步的问题。当变流器达到功率或能量极限时，传统的P-f控制可能会导致频率不稳定甚至失步，尤其是在弱电网环境下。

核心思路：论文的核心思路是采用f-P控制替代P-f控制，并在无功功率侧采用Q-V控制，形成一种混合控制策略。这种设计旨在解耦功率和频率的控制关系，使得在功率受限时，变流器能够优先保证电网频率的稳定，从而维持同步。

技术框架：该混合控制策略主要包含两个部分：一是频率-功率（f-P）控制，用于调节有功功率输出，以维持电网频率稳定；二是无功功率-电压（Q-V）控制，用于调节无功功率输出，以维持电网电压稳定。整体架构上，变流器通过测量电网频率和电压，分别输入到f-P和Q-V控制器中，控制器输出相应的有功和无功功率指令，驱动变流器运行。

关键创新：最关键的创新点在于将传统的P-f控制反转为f-P控制。P-f控制以功率为输入，频率为输出，当功率受限时，频率可能失控。而f-P控制以频率为输入，功率为输出，即使功率受限，也能优先保证频率稳定。这种控制策略的转变是解决问题的核心。

关键设计：论文中可能涉及的关键设计包括：f-P和Q-V控制器的具体形式（例如，PI控制器参数整定），功率限制环节的设计（如何平滑地限制功率输出），以及弱电网条件下的阻抗匹配策略（以保证控制器的稳定性）。具体的参数设置和控制器结构需要在论文中进一步查找。

📊 实验亮点

论文通过对比研究表明，所提出的f-P和Q-V混合控制策略在功率限制和电网同步方面优于传统的P-f控制，尤其是在弱电网条件下。具体的性能数据（例如，频率偏差降低百分比、同步维持时间延长等）需要在论文中进一步查找。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于高比例可再生能源接入的电力系统中，尤其是在弱电网环境下。通过采用该混合控制策略，可以提高构网型变流器的稳定性和可靠性，降低因可再生能源波动引起的电网频率波动风险，促进可再生能源的广泛应用。未来，该技术有望应用于微电网、分布式发电等领域。

📄 摘要（原文）

Grid-forming (GFM) converter is deemed as one enabler for high penetration of renewable energy resources in power system. However, as will be pointed out in this letter, the conventional power-to-frequency (P-f) GFM control will face a dilemma in keeping power limit and grid synchronization when the energy resource of the converter reaches the limit. To address this challenge, a f-P and Q-V hybrid control is proposed, which exhibits similar GFM performance, particularly under weak grid condition, but is superior in power-limiting and grid synchronization as demonstrated by comparative studies.