Benchmark Study of Transient Stability during Power-Hardware-in-the-Loop and Fault-Ride-Through capabilities of PV inverters
作者: Carina Lehmal, Ziqian Zhang, Robert Schürhuber
分类: eess.SY
发布日期: 2025-01-23 (更新: 2025-01-30)
备注: 7 pages, 9 figures, study of behaviour of different inverters during different grid strength
💡 一句话要点
对比理想电压源与P-HIL，评估光伏逆变器在不同电网条件下的暂态稳定性与故障穿越能力。
🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)
关键词: 光伏逆变器 暂态稳定性 故障穿越 电力硬件在环 电网模型
📋 核心要点
- 现有光伏逆变器测试方法（理想电压源）难以捕捉真实电网的动态交互，可能导致测试结果与实际运行情况不符。
- 本研究采用电力硬件在环（P-HIL）方法，结合CIGRE电网模型，模拟真实电网环境，更准确地评估逆变器性能。
- 对比理想电压源和P-HIL两种测试方法，揭示了传统方法的局限性，强调了P-HIL在评估光伏逆变器暂态稳定性方面的重要性。
📝 摘要（中文）
本研究对四家光伏逆变器制造商进行了基准分析，重点关注其在不同电网强度、电压骤降和故障持续时间下的故障穿越能力，这些参数对于电网运营商在故障情况下至关重要。研究结果突出了不同逆变器控制对电流和电压信号的总谐波失真以及电网故障后系统稳定性的影响。此外，该研究使用两种不同的测试方法评估了暂态稳定性。第一种方法采用电流标准方法，即使用理想电压源进行测试。第二种方法利用具有基准CIGRE电网模型的电力硬件在环（P-HIL）方法。结果表明，虽然使用理想电压源进行测试在短期内具有成本效益且方便，但它无法捕捉物理电网组件的动态交互和反馈回路。这种局限性可能会掩盖关键的实际因素，可能导致在高光伏渗透率电网中出现意外的逆变器行为和运行挑战。本研究强调了重新评估传统测试方法并纳入电力硬件在环结构以获得更符合实际情况的测试结果的重要性。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决光伏逆变器在电网故障期间的暂态稳定性评估问题。现有方法主要依赖于理想电压源进行测试，这种方法无法模拟真实电网的复杂动态特性，例如阻抗变化、谐波以及与其他设备的交互。这导致测试结果与实际电网运行情况存在偏差，可能无法准确评估逆变器的故障穿越能力，从而影响电网的稳定运行。
核心思路：论文的核心思路是采用电力硬件在环（P-HIL）技术，将实际的光伏逆变器与一个模拟的真实电网环境连接起来。通过P-HIL，逆变器可以与一个实时的、动态的电网模型进行交互，从而更准确地模拟实际电网故障期间的各种复杂情况。这种方法能够捕捉到传统测试方法无法模拟的动态交互和反馈回路。
技术框架：整体测试框架包括两个主要部分：一是实际的光伏逆变器，二是基于CIGRE电网模型的实时仿真系统。P-HIL接口连接了这两个部分，使得逆变器可以向仿真系统注入电流，并从仿真系统接收电压信号。仿真系统根据电网模型和逆变器的输出，实时计算电网的电压和电流，并将这些信号反馈给逆变器。通过这种闭环方式，可以模拟逆变器在真实电网中的运行情况。测试流程包括定义不同的电网故障类型（例如，电压骤降、短路故障）和故障持续时间，然后分别使用理想电压源和P-HIL进行测试，并比较测试结果。
关键创新：论文的关键创新在于将P-HIL技术应用于光伏逆变器的暂态稳定性评估。与传统的理想电压源测试方法相比，P-HIL能够更准确地模拟真实电网的动态特性，从而更可靠地评估逆变器的故障穿越能力。这种方法能够捕捉到逆变器与电网之间的动态交互，揭示传统方法可能忽略的潜在问题。
关键设计：论文的关键设计包括选择合适的CIGRE电网模型作为P-HIL仿真的基础，以及设计合适的P-HIL接口，以确保逆变器和仿真系统之间的信号传输准确可靠。此外，还需要仔细选择测试用例，包括不同的电网故障类型、故障持续时间和电网强度，以全面评估逆变器的性能。对电流和电压信号的总谐波失真（THD）的测量也是关键设计的一部分，用于评估逆变器对电网谐波的影响。
📊 实验亮点
研究表明，使用理想电压源的传统测试方法可能无法准确评估光伏逆变器在实际电网故障期间的性能。P-HIL测试能够捕捉到逆变器与电网之间的动态交互，揭示了传统方法可能忽略的潜在问题。通过对比不同制造商的逆变器，研究还发现了不同逆变器控制策略对电网稳定性的影响。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于光伏逆变器的设计、测试和认证，以及电网规划和运行。通过更准确地评估逆变器的故障穿越能力，可以提高电网的稳定性和可靠性，促进光伏能源的更大规模应用。此外，该方法也可推广到其他分布式电源的测试和评估中。
📄 摘要（原文）
The deployment of PV inverters is rapidly expanding across Europe, where these devices must increasingly comply with stringent grid requirements.This study presents a benchmark analysis of four PV inverter manufacturers, focusing on their Fault Ride Through capabilities under varying grid strengths, voltage dips, and fault durations, parameters critical for grid operators during fault conditions.The findings highlight the influence of different inverter controls on key metrics such as total harmonic distortion of current and voltage signals, as well as system stability following grid faults.Additionally, the study evaluates transient stability using two distinct testing approaches.The first approach employs the current standard method, which is testing with an ideal voltage source. The second utilizes a Power Hardware in the Loop methodology with a benchmark CIGRE grid model.The results reveal that while testing with an ideal voltage source is cost-effective and convenient in the short term, it lacks the ability to capture the dynamic interactions and feedback loops of physical grid components.This limitation can obscure critical real world factors, potentially leading to unexpected inverter behavior and operational challenges in grids with high PV penetration.This study underscores the importance of re-evaluating conventional testing methods and incorporating Power Hardware in the Loop structures to achieve test results that more closely align with real-world conditions.