受控電壓/電流源型變流器混合多機暫態電壓支撐策略

楊 銘 曹 武 趙劍鋒 朱凌志 王寶基

受控電壓/電流源型變流器混合多機暫態電壓支撐策略

楊 銘1曹 武1趙劍鋒1朱凌志2王寶基3

（1. 東南大學電氣工程學院 南京 210096 2. 中國電力科學研究院有限公司（南京） 南京 210003 3. 陽光電源股份有限公司 合肥 230009）

以新能源為主體的新型電力系統暫態電壓問題極大地影響電網穩定運行及大規模新能源消納，發掘新能源場站多機變流器的動態無功補償能力是適應新型電力系統暫態電壓控制需求的關鍵。因此該文提出受控電壓/電流源型變流器混合多機暫態電壓支撐策略，首先分析了暫態電壓支撐需求和混合多機暫態電壓主動支撐的關鍵因素；然后研究混合多機暫態電壓支撐控制模式，將兩變流器控制模式特性進行互補，重點對變流器暫態控制策略進行改進，提出柔性限幅結合暫態有功阻尼控制提高混合多機的動態無功補償能力及可靠性，自適應補償控制提高混合多機動態無功輸出準確度，共同實現暫態電壓的可靠支撐，并進一步分析了參數整定方法；最后通過全面的仿真和實驗分析驗證所提策略的有效性和實用性。

受控電壓/電流源 混合多機 暫態電壓 支撐策略

0 引言

隨著“雙碳”目標的提出，新能源消納需求及外送新能源能源容量占比逐漸增加，大規模并網變流器及高壓直流輸電系統使電網對暫態電壓提出了更高的控制要求。因交流/直流系統故障、控制等引起暫態電壓的波動及恢復過程深刻影響著變流器、交流/直流系統的控制過程，在多回大容量直流饋入、大規模區域電網互聯的背景下，暫態電壓穩定還關系到互聯電網的電壓/頻率穩定性、電網故障的連鎖反應，因此電網的暫態電壓支撐能力已成為降低故障影響和保障電網穩定運行的重要約束[1-6]。

包含大規模變流器與直流輸電構成的送/受端系統的典型場景如圖1所示。在新能源容量占比逐漸提高的趨勢下，新能源場站的電壓穩定性及無功輸出能力是暫態電壓控制的關鍵[7-10]。當前交直流混聯電網主要通過加裝靜止無功補償器（Static Var Compensator, SVC）、靜止無功發生器（Static Var Generator, SVG）、調相機等動態無功補償設備提供新能源場站、直流換流站自身所需的暫態電壓支撐[11-12]，但動態無功補償設備對電網暫態電壓的支撐能力有限；另外新能源場站與電網的暫態電壓交互研究也大多集中在單機變流器設備的穩定控制及高低壓故障穿越方面[13-16]。因此在多機變流器暫態電壓支撐方面仍然有較大的研究空間。

圖1 含大規模變流器與直流輸電構成的送/受端系統的典型場景

新能源變流器按控制模式的不同作用可以分為受控電壓源型和受控電流源型變流器[17-18]。受控電壓源型變流器外特性表現為受控電壓源，內置電網固有同步，對弱電網有很好的適應性。受控電壓源型變流器控制方面已有一定的研究，文獻[19-21]總結分析了受控電壓源型變流器典型控制及應用；文獻[22-25]對受控電壓源型變流器的暫態穩定性進行了研究。但當前研究對受控電壓源型變流器暫態電壓工況下的控制要點及相應的解決策略分析較少。受控電流源模式依靠鎖相環與電網保持同步，按照指令要求向電網中注入電流，文獻[26-28]對受控電流源型變流器的同步穩定性進行了分析，對鎖相環的依賴使得受控電流源型變流器難以適應新能源高比例接入弱電網的場景。當前含兩種控制模式變流器組多應用于微電網，且研究集中在穩態運行控制。文獻[29-30]研究了穩態運行下多變流器并聯的控制模式；文獻[31]研究了含兩種控制模型的多并聯變流器的下垂控制改進；文獻[32-34]從電網調度和變流器控制的角度研究了含兩種控制模型的多機變流器的無功功率分配。針對受控電壓源/電源型變流器的優缺點互補，文獻[35]提出了變流器自適應電網強度切換受控電壓/電流源型控制模式的策略，提升了變流器對電網阻抗的適應性，但是強弱電網的判斷及控制模式的切換降低了對暫態電壓的響應速度；文獻[36]通過單變流器控制目標的切換實現暫態電壓支撐，其功能的實現仍依靠與電網的同步；文獻[37]分析故障后暫態失步機理，從同步角度分析受控電流源型變流器的暫態穩定及其改進策略，但不涉及在失去同步條件情況下受控電流源型變流器的控制策略；文獻[38]研究了受控電壓源型變流器在故障后的振蕩抑制，但參數整定復雜且沒有涉及對同步策略的改進；文獻[39]研究了受控電壓源型變流器的瞬時功率計算問題，仍需進一步對在暫態電壓控制中的應用進行研究。綜上所述，當前基于受控電壓/電流源型變流器的混合多機系統的暫態電壓特性分析及相關支撐控制的研究仍然較少。

本文對多機變流器系統的系統暫態電壓的支撐能力進行挖掘，多機變流器系統的暫態電壓支撐的難點主要包括：①可靠提升暫態工況下場站的短路容量及鎖相同步的穩定性；②具有足夠的無功功率輸出以改變電壓。針對以上問題，本文將受控電壓/電流源型變流器混合多機系統作為暫態電壓主動支撐的方案，弱電網情況下受控電壓源型變流器提供可靠和穩定的電壓源，提高系統短路容量及提供穩定的鎖相同步條件，受控電流源型變流器提供足夠的補償容量，首先對受控電壓/電流源型變流器的暫態電壓控制特性、含大規模新能源及高壓直流輸電系統電網的暫態電壓需求進行分析；然后以此為基礎提出混合多機系統暫態電壓支撐的控制模式，將受控電壓/電流源型變流器控制特性進行結合互補，其中提出的暫態改進策略是實現暫態電壓支撐的關鍵，柔性限幅結合暫態有功阻尼控制保證暫態下混合多機內部電壓源特性及提高內部電壓源穩定程度，通過自適應補償控制解決多機系統的動態無功補償精度，提高混合多機暫態電壓支撐的可靠性和準確度，并進一步分析了其中關鍵參數的整定方法；最后通過仿真和實驗對基于提出暫態電壓支撐策略的混合多機系統暫態電壓過程及控制性能進行了分析和驗證。

1 混合多機暫態電壓支撐關鍵點分析

1.1 受控電壓/電流源型變流器暫態電壓特性

受控電壓源型變流器控制模型如圖2所示，其中，c為變流器輸出電壓，f1f2f分別為變流器機側濾波電感、連接電感、支撐電容，t為系統電壓，ref為有功功率給定值，為有功功率實際值，為無功功率實際值，Uref為電容電壓給定值，gref為電流環給定值，tref為系統電壓給定值，dcref為直流電壓給定值，g為機側電流，為控制相位，abc為輸出調制波。

圖2 受控電壓源型變流器控制模型

受控電壓源型變流器因其電壓源特性，對弱電網的適應能力強，無功功率輸出速度快但精度不夠，暫態工況下無功輸出能力還受到電流限幅[40-42]和有功功率擾動的限制。在暫態工況下，由于控制目標的擾動較大，變流器輸出電流極易超出限幅，使得受控電壓源型變流器保護動作退出或進入受控電流源控制模式，從而失去了原有的電壓支撐能力；另外，由于有功功率控制的時間常數較大，暫態過程有功功率極易大范圍振蕩，考慮變流器的電流輸出能力，有功功率振蕩會限制變流器的電壓穩定能力。

受控電流源型變流器控制模型如圖3所示，其中pll為鎖相環所得相位。受控電流源型變流器可以輸出精準的無功功率，但對弱電網適應性差，暫態工況下無功輸出能力主要受到變流器自身容量和穩定性的限制。穩態下通常以有功功率輸出為主，受變流器器件的容量限制，暫態工況下需要對有功和無功出力重新分配；與電網同步的可靠性隨著電網強度的降低而下降，同時弱電網暫態工況下受控電流源型變流器輸出波動較大，也不利于系統穩定。

圖3 受控電流源型變流器控制模型

1.2 暫態電壓支撐需求

與穩態無功補償和傳統電網的暫態電壓支撐相比，新型電網暫態電壓支撐需求主要基于高壓直流輸電（High Voltage Direct Current, HVDC）及新能源變流器的運行特性，支撐需求主要包括可靠的鎖相同步、支撐容量、調節速度三方面。調節速度方面，依據HVDC和各類柔性交流輸電裝置（Flexible Alternative Current Transmission Systems, FACTS）接入對電力系統的暫態電壓的穩定要求，允許設備級連續換相失敗造成的功率波動時間約為160～200ms，在此時間段內通過足夠的動態無功出力，避免連續換相失敗出現是暫態電壓控制的關鍵。

圖4 變流器并聯架構等效電路

由等效電路可得鎖相電壓和受控電壓源單支路電流的表達式為

對式（1）進行分析可知，鎖相電壓L包含系統電壓源t分量和各個受控電壓源分量eq,i。當系統電壓發生暫態電壓工況，尤其是當t下降幅值較大（降至20%以下）時，由于鎖相環控制帶寬和系統阻抗等原因，受控電流源型變流器容易失穩，而受控電壓源分量的存在可以保證受控電流源型變流器仍有可靠的同步來源以保證受控電流源型變流器的輸出；另一方面，當系統電壓t下降較大時，受控電壓源的存在可以保證L有一定的幅值，進而保證了新能源場站的短路容量，即保證了場站對系統電壓的支撐容量能力。由以上分析可以看出，穩定可靠的受控電壓源是保證場站暫態無功支撐能力的關鍵。

考慮電網暫態電壓工況開始時刻，場站內電氣量保持不變，因系統電壓變化引起的受控源支路電流變化由式（1）可進一步寫為

式中，ΔI,1為受控電壓源支路電流變化量，ΔI,1為受控電流源支路電流變化量；Δt為系統電壓變化量。

由式（2）可以看出，暫態工況初始時刻較大的系統電壓變化會造成受控源支路電流的快速變化。此時的電流變化量并不受變流器自身控制的限制，同時多個受控源支路會分擔總體電流變化?？紤]功率器件的耐流和發熱限制，以及為防止因暫態均流情況不佳造成某受控源支路電流變化大于其他支路，需要在后續時刻通過變流器控制作用對受控電壓/電流源型變流器的暫態過電流進行限制功率，盡量降低過電流的影響，提高安全裕度。

在暫態工況下往往伴隨較大的有功功率、電壓波動，受控電壓源型變流器的相位控制來自于有功功率控制，下垂同步控制公式如式（3）所示。暫態工況下適當地提高有功功率阻尼可以提高同步相角的穩定度，有利于受控電壓源型變流器的穩定運行。

式中，為下垂控制輸出相位；p為下垂系數；off為角速度偏置。

在可靠的鎖相同步條件和一定短路容量前提下，暫態電壓工況需要受控電流源型變流器輸出大量且準確的無功功率以支撐電壓，而在正常狀態下的受控電流源型變流器主要輸出有功功率，結合暫態過電流的限制需求，因此受控電流源型變流器需要根據暫態情況進行自適應補償控制。

1.3 混合多機暫態電壓支撐能力關鍵點

綜合以上對暫態電壓控制需求、受控電壓/電流源型變流器控制特性的分析，可以將受控電壓/電流源型變流器的優勢進行互補，協調兩者之間的控制，利用多機變流器系統對電網暫態電壓進行主動支撐。暫態支撐能力的關鍵點包含以下幾點：

1）在弱電網暫態情況下，依靠受控電壓源型變流器為受控電流源型變流器提供穩定的電壓，提高低電壓情況下的短路容量，使得受控電流源型變流器可以可靠地通過鎖相環實現與電網的同步，準確穩定地向電網注入目標電流。

2）暫態工況下受控電流源型變流器需要輸出準確的無功功率支撐暫態電壓及電壓的恢復。

3）受控電壓源型變流器暫態情況下不能因電流限幅轉成電流源特性而無法提供可靠電壓。

4）受控電壓源型變流器的有功功率輸出在暫態情況下應具有較強的阻尼，以保證暫態過程受控電壓源型變流器的控制電壓穩定程度。

2 混合多機控制模式及其改進策略

2.1 混合多機控制策略總體架構

混合多機控制模式見表1。混合多機系統的總體控制架構如圖5所示，其中Ud、Uq分別為濾波電容上電壓dq分量，g為變流器機側電流，gdref、gqref分別為dq軸電流給定值，gd、gq分別為dq軸電流實際值，ref為有功功率給定值，ref為無功功率給定值，Udref為控制電壓給定值。混合多機系統中受控電壓/電流源型變流器的控制模式主要包含穩態和暫態情況下的功率協調控制和電壓協調控制。暫態工況下，受控電壓源型變流器的輸出電壓調節速度要大于受控電流源型變流器的功率調節速度，為保證受控電壓源的穩定，通過柔性限幅控制保證變流器的電壓源特性限制及限制過電流，也限制受控電壓源型變流器的電流波動；通過控制有功功率波動阻尼降低電壓變化對有功變化的影響，從而提高受控電壓源型變流器的電壓穩定程度；受控電流源型變流器通過自適應補償控制使其暫態情況下輸出足夠的無功功率提高受控電壓源型變流器的輸出電壓。

表1 混合多機控制模式

Tab.1 Hybrid multi-converter control model

圖5 混合多機控制策略總體架構

2.2 受控電壓源型變流器改進控制

針對受控電壓源型變流器在暫態電壓控制中存在的問題，本文從閉環控制和同步控制兩方面，提出暫態電流的柔性限幅結合暫態有功功率阻尼控制的控制方法，改進控制策略如圖6所示。柔性限幅通過虛擬阻抗的方式實現，有功功率波動的阻尼控制通過引入電壓的波動實現，二者共同提高暫態過程電壓控制的可靠性和平穩度。其中Gd()、Gq()分別為電壓dq軸控制環節，Gd()、Gq()為電流dq軸控制環節，v為虛擬阻抗，Ld、Lq分別為虛擬阻抗電壓的dq軸分量，EN表示使能，即條件滿足時在給定值中疊加Ld、Lq，gdref、gqref分別為機側電流dq分量給定值，gd、gq為機側電流dq分量，g_v為機側相電流峰值的限值，gqref_max為q軸電流限值；U_rms為變流器控制目標濾波電容上電壓有效值，w為高通濾波環節參數，1、2為超前滯后環節補償參數，a為放大系數。

圖6 受控電壓源型變流器改進控制

為使受控電壓源型變流器在電流越限情況下仍保持電壓源控制特性，其電流給定值限幅采用式（4）所示的計算方式，即依據變流器控制電流d軸分量和變流電流限值計算變流器控制電流q軸分量的限值。

將虛擬阻抗補償電壓引入受控電壓源型變流器控制給定值，如圖7所示，將虛擬阻抗對應的電壓疊加在dq控制目標值上，降低大擾動情況下的電壓波動。另一方面為保證受控電壓源型變流器的電壓控制響應速度，通過高通濾波器f()使虛擬阻抗電壓控制僅在電流超限的情況下投入。dq坐標系中虛擬阻抗壓降及高通濾波器如式（5）所示。

式中，hpf為高通濾波器頻率參數。

圖7 受控電流源型變流器改進控制

變流器輸出有功功率的變化為

式中，Δe為變流器有功功率變化值；Δ為功角變化值；Δc為變流器輸出電壓即電容上電壓變化值；eq為功角變化系數；eq為電容電壓變化系數；為系統電壓；de為等效連接阻抗。由式（6）可以看出，變流器有功功率的變化主要包含兩部分：①功角變化引起的功率波動；②電壓引起的功率波動。

受控電壓源型變流器的有功功率下垂控制如式（3）所示，對有功功率與目標值的偏差進行控制，對其中因電壓變化引起的波動也會有響應，而電壓的波動因電壓閉環控制的存在最終會穩定。因此因電壓變化引起的有功功率波動可視作功率控制中的干擾。

通過抑制變流器有功功率控制中對電壓波動的響應，可以實現加大有功功率波動阻尼的效果，在促進變流器穩定運行的同時也可保證受控電壓源型變流器的無功輸出能力。如圖6暫態有功阻尼控制部分所示，為保證阻尼控制在穩態情況下不會對正常控制產生影響，對引入的電壓波動進行高通濾波，并通過超前-滯后環節進行一定的相位補償，補償后作為電壓波動量疊加到有功功率控制給定值，抵消電壓變化引起的有功波動，提高暫態下有功功率阻尼。

2.3 受控電流源型變流器改進控制

受控電流源型變流器的暫態電壓支撐能力主要受限于穩定的鎖相條件和足夠的暫態無功輸出能力，穩定的鎖相條件可以由改進后的受控電壓源型變流器提供，因此本文對受控電流源型變流器的改進主要集中在對暫態無功輸出能力上。

受控電流源型變流器暫態電壓控制框圖如圖7所示，其中tdead1、tdead2分別為自適應補償依據的變流器輸出電壓上、下閾值，0()、()分別為電壓環控制環節和電流環控制環節。

受控電流源型變流器穩態情況下基本以單位功率因數運行，電力電子設備受限于過流能力，變流器的總體輸出能力是需要考慮的因素，在暫態工況下需要暫態無功輸出的情況下，必須對功率控制的給定值進行變化。根據式（1）可得無功補償需求量為

式中，cc為受控電流源型變流器暫態無功控制疊加量；cc為疊加系數。

將無功補償量作為控制目標的變化，疊加到現有的無功功率控制目標，并從有功功率目標中減去，從而可以提高受控電流源型變流器的暫態無功輸出，并保證變流器總體輸出電流在可靠范圍內。為保證暫態無功控制不影響正常的穩態調節，暫態無功控制根據控制點電壓情況進行投入和退出。

2.4 參數整定分析

1）柔性限幅控制參數整定

虛擬阻抗v的設計需考慮兩個因素：①限制變流器輸出電流不超過安全閾值；②引入虛擬阻抗后的變流器控制穩定性。

變流器控制電流和電容電壓、公共連接點（Point of Common Coupling, PCC）電壓關系如式（8）所示。

式中，o為變流器濾波器前輸出電壓；s為多變流器并聯點電壓；1、2、3分別為機側濾波器、網側濾波器、濾波電容的阻抗。

變流器輸出電流包含電容電壓和PCC電壓產生的電流兩部分，通過引入變流器控制電流的反饋改變被控對象的值來實現對輸出電流的限幅，假定變流器電流限幅值為gmax，將控制目標電容電壓的下降近似變流器濾波器前輸出電壓的下降，則被控對象、虛擬阻抗與限流限幅的關系可近似表示如式（9）所示，進而可得虛擬阻抗的取值范圍，可對g幅值進行有效限制。

式中，ctr為暫態工況初始時刻變流器濾波器前輸出電壓，可取額定輸出電壓；tr為暫態工況初始時刻PCC電壓，可按20%額定值選取。

引入虛擬阻抗電壓后的控制系統如圖8所示，其閉環傳遞函數為

式中，Gv、Gi分別為電壓環和電流環控制；Kpv、Kiv為電壓環控制參數；Kpi、Kii為電流環控制參數；Yuc為反饋阻抗，Km為變流器放大系數。

虛擬阻抗電壓引入后變流器的穩定性與G、G的控制參數、線路參數等關聯，選取如表2所示的兩組兩組G、G參數，由式（10）可得如圖9所示在v變化情況下的廣義根軌跡。通過對比可以看出，參數1情況下系統穩定，而參數2情況下系統條件穩定；確定控制系統參數后，結合通過式（9）確定的v取值范圍后，通過穩定性需求選取式（10）的特征根，進一步確定v的取值。

表2 控制系統主要參數

Tab.2 Main parameters of the control system

圖9 不同參數下根軌跡

2）暫態有功阻尼控制參數整定

對于受控電壓源型變流器的有功功率阻尼控制，整定參數主要包括放大系數、高通濾波器和超前滯后環節參數，整定依據如下：①為補償因電壓變化而引起的有功功率變化，放大系數a對應式（6）中的系數eq，參考正常電壓下的較大功角設計放大系數的值；②對于高通濾波器的參數，應以濾除 0.1 Hz以下信號的原則進行參數選??；③超前滯后環節用來補償測量和濾波過程中造成的相位滯后，可根據0.1～10 Hz頻率段的濾波器相位變化，通過二次項擬合的方式設計超前滯后環節的參數。

3）自適應補償控制參數整定

受控電流源型變流器暫態電壓自適應補償控制整定參數主要為系數cc和cc的限幅，整定依據如下：①參考無功補償計算公式，cc應為線路阻抗的倒數；cc的選取決定了暫態工況下受控電流源型變流器的無功輸出，同時由于新能源場站中存在動態無功補償設備SVG，也可以在暫態工況下輸出無功功率，因此在工程實踐中的具體取值要根據場站整體在暫態電壓工況下的最大暫態無功需求確定。②對于cc的限幅，考慮低電壓情況下變流器有最低有功功率的需求進行選取。

3 仿真分析

考慮變流器設備的容量，為充分體現變流器控制的作用及考慮到系統短路容量，將圖1所示的電網系統等效至0.38 kV電壓等級，基于PLECS仿真平臺搭建如圖10所示的混合多機系統，包括1個受控電壓源型變流器和2個受控電流源型變流器，由于直流環節在暫態過程中可近似認為處于穩定狀態，為簡化和更具一般性，直流環節采用直流電壓源[43-45]，仿真系統主要參數見表3。當前大規模新能源并網經高壓直流輸電系統進行電能傳輸，其中由于短路等故障易引起的電壓驟降工況，以及電壓恢復過程中未及時切除無功補償引起的電壓驟升工況較為典型和普遍，針對這兩種典型暫態電壓工況進行仿真，通過模擬系統電壓驟降和驟升，對受控電壓/電流源型變流器的附加控制、混合多機系統的暫態電壓控制特性進行分析。

圖10 仿真分析系統

表3 仿真參數

Tab.3 Main parameters of the simulation system

3.1 電壓驟降

按照電網相關規定，系統電壓下降至20%后要求變流器持續運行1 s，因此模擬系統電壓驟降的暫態電壓工況下降至20%持續1 s后恢復。首先對受控電壓源型變流器的作用進行分析驗證，將只含2臺受控電流源型變流器并聯的單模式架構和含有1臺受控電壓源型變流器與2臺受控電流源型變流器的混合多機系統在電壓驟降情況下的運行情況進行對比。

圖11為2臺受控電流源型變流器并聯的單受控源模式在暫態工況下的輸出電壓dq分量、輸出電流dq分量、有功功率、無功功率等仿真結果，變流器采用傳統控制，可以看到受控電流源型變流器并聯架構由于鎖相環、系統阻抗、功率控制目標無法達到等原因導致電壓暫降后系統失去穩定，在電壓恢復后也無法穩定。

圖11 電壓驟降單模式運行情況

圖12為含有1臺受控電壓源型變流器和2臺受控電流源型變流器的混合多機系統采用傳統基本控制在電壓暫降工況下的仿真情況，其中圖12a為并聯點電壓，圖12b、圖12c分別為受控電壓/電流源型變流器輸出電壓dq分量、輸出電流dq分量、有功功率、無功功率。從圖中可以看出，傳統控制下暫態工況系統仍無法保持穩定，但系統電壓恢復后可以維持回復到穩定運行。

圖13為混合多機系統中僅有受控電流源型變流器采用改進控制（半改進）與全采用改進控制（全改進）的對比情況，其中圖13a為并聯點相電壓有效值對比，圖13b、圖13c分別為受控電壓/電流源型變流器輸出電壓dq分量、輸出電流dq分量、有功功率、無功功率對比情況。圖14a為暫態有功阻尼控制輸出，圖14b為阻尼控制對有功功率的控制對比。圖15a為柔性限幅部分的輸出，圖15b為受控電壓源型變流器輸出電流dq分量的方均根對比。

從仿真結果中可以看出，這兩種情況下暫態工況時系統都可以保持穩定，與圖11、圖12對比，受控電壓源型變流器的加入有助于提升多并聯變流器的暫態電壓支撐能力和有功輸出水平。采用提出的受控電壓/電流源型變流器具有更好的穩定性，如圖13a所示。受控電壓源型變流器的改進策略在提升并聯點電壓的同時也抑制了電壓的波動，電壓的提升也提高了系統短路容量，使得混合多機系統可以在低電壓情況下保證有功輸出和無功支撐能力。從圖13b中受控電流源型變流器的功率輸出可以看出，在2.0～2.05 s時間內，受控電流源型變流器由于自適應調整無功控制目標，在受控電壓源型變流器穩定電壓的前提下開始對系統輸出無功功率進行電壓支撐。如圖13c、圖14所示混合多機系統中受控電流源型變流器的功率波動明顯減小，受控電壓源型變流器的有功阻尼控制改進控制提高了混合多機系統暫態有功阻尼。如圖15所示受控電壓源型變流器的柔性限幅有效地限制了過電流情況；兩者結合在提高受控電壓源型變流器穩定的基礎上也改善了總體的無功輸出情況。

3.2 電壓驟升

模擬系統電壓驟升30%的暫態電壓工況，對比有無改進控制策略系統電壓和變流器運行情況，對改進策略特性進行比較分析。

仿真結果如圖16、圖17所示，其中圖16a為并聯點相電壓有效值對比圖，圖16b、圖16c分別為受控電流源型變流器、受控電壓源型變流器的輸出電壓dq分量、輸出電流dq分量、有功功率、無功功率對比圖；圖17a為受控電壓源型變流器有功功率對比，圖17b為受控電壓源型變流器輸出電流dq分量的方均根對比。

圖17 電壓驟升下受控電壓源型變流器有功功率及輸出電流對比

通過仿真結果可以看出，系統電壓升高后，變流器原有的功率控制目標無法實現而引發振蕩，傳統控制策略下混合多機系統在暫態工況無法維持穩定，如圖16a所示，改進策略下混合多機系統則可以穩定運行。結合圖16b、圖16c和圖17，柔性限幅限制了過電流程度，暫態有功阻尼控制提高了有功功率的穩定性，加強了受控電壓源型變流器的控制電壓穩定性。

綜上所述，從混合多機系統和單受控電流源模式對比，以及電壓驟升驟降的暫態電壓過程的分析中可以看出，受控電壓源型變流器可以增大暫態低電壓情況下的系統短路容量，保證并聯變流器系統的輸出能力。改進策略可以充分結合受控電壓源型和受控電流源型變流器各自的優勢，通過柔性限幅和暫態有功阻尼控制，提高了受控電壓源型變流器在暫態過程中的控制電壓穩定性，使得變流器運行在安全范圍內，保證受控電流源型變流器的鎖相環境和輸出能力，進而提升了混合多機的動態無功補償能力及可靠性。通過受控電流源型變流器的有功功率和無功功率的自適應功率控制目標變換，一方面保證了自身運行的穩定；另一方面提供可靠的無功功率對系統進行電壓支撐?；谑芸仉妷?電流源型變流器的混合多機系統可以滿足暫態電壓支撐中的關鍵需求，能夠提升暫態工況下的電壓水平，對維護場站電壓穩定進而整個系統的電壓穩定都有明顯效果。

4 實驗驗證

為進一步實際驗證基于受控電壓/電流源型變流器及其改進控制策略的混合多機系統的的暫態電壓穩定能力和無功輸出能力，構建由1臺受控電壓源型變流器、2臺電流源型變流器通過變壓器、連接阻抗并入電網的硬件在環實驗平臺，如圖18所示。系統及控制參數見表3，其中變流器控制系統采用DSP 型號為TI-TMS320F28335，采用采用現場可編程的門陣列（Field Program Gate Array, FPGA）型號為Altera-EP3C5，錄波器型號為Yokogawa DL850E。

圖18 實驗平臺系統

模擬三相短路故障及故障恢復過程，系統電壓驟降至20%后恢復，單受控電流源型變流器并聯模式的并聯點電壓電流如圖19所示，混合多機系統采用傳統控制的并聯點電壓電流如圖20所示。從圖中可以看出，單受控電流源型變流器模式在暫態情況下失穩，混合多機系統采用傳統控制在暫態工況下也沒有穩定的暫態電壓支撐能力。系統電壓驟降至20%后驟升至130%，混合多機系統采用本文改進控制的并聯點電壓電流圖21所示，采用改進策略后電壓可以保持平穩運行，電流的調節及平穩速度也較快。實驗結果與第3節分析結果一致。

圖19 單受控電流源型變流器模式輸出情況

圖20 混合多機系統傳統控制輸出情況

圖21 混合多機系統改進控制輸出情況

5 結論

以新能源為主體的新型電力系統要求新能源場站具備暫態電壓主動支撐能力，針對當前新能源場站暫態電壓工況下存在的同步和無功輸出的問題，提出受控電壓/電流源型變流器混合多機系統的暫態電壓支撐策略，以柔性限幅和暫態有功阻尼控制保證受控電壓源型變流器供穩定同步條件，以自適應補償改進控制使受控電流源型變流器提供精確暫態無功支撐，混合多機系統及其控制模式提升新能源場站的暫態電壓穩定性，并通過仿真和實驗驗證了混合多機系統及其改進策略對系統暫態電壓的支撐作用。后續可將混合多機系統作為暫態電壓支撐核心，針對新能源場站內變流器和其他無功補償設備的協調控制進一步展開研究，以進一步提升新能源場站的暫態電壓主動支撐能力。

[1] 辛保安, 郭銘群, 王紹武, 等. 適應大規模新能源友好送出的直流輸電技術與工程實踐[J]. 電力系統自動化, 2021, 45(22): 1-8. Xin Baoan, Guo Mingqun, Wang Shaowu, et al. Friendly HVDC transmission technologies for large-scale renewable energy and their engineering practice[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(22): 1-8.

[2] 劉其輝, 逄思敏, 吳林林, 等. 大規模風電匯集系統電壓不平衡機理、因素及影響規律[J]. 電工技術學報, 2022, 37(21): 5435-5450. Liu Qihui, Pang Simin, Wu Linlin, et al. The mechanism, factors and influence rules of voltage imbalance in wind power integration areas[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(21): 5435-5450.

[3] 毛安家, 馬靜, 蒯圣宇, 等. 高比例新能源替代常規電源后系統暫態穩定與電壓穩定的演化機理[J]. 中國電機工程學報, 2020, 40(9): 2745-2756. Mao Anjia, Ma Jing, Kuai Shengyu, et al. Evolution mechanism of transient and voltage stability for power system with high renewable penetration level[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(9): 2745-2756.

[4] 鄭超, 張鑫, 呂盼, 等. VSC-HVDC與弱交流電網混聯系統大擾動行為機理及穩定控制[J]. 中國電機工程學報, 2019, 39(3): 629-641. Zheng Chao, Zhang Xin, Lü Pan, et al. Study on the large disturbance behavior mechanism and stability control strategy for VSC-HVDC and weak AC hybrid system[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(3): 629-641.

[5] 王長江, 姜濤, 陳厚合, 等. 基于相位校正李雅普諾夫指數的電力系統暫態電壓穩定評估[J]. 電工技術學報, 2021, 36(15): 3221-3236. Wang Changjiang, Jiang Tao, Chen Houhe, et al. Transient voltage stability assessment of power systems based on phase correction maximum Lyapunov exponent[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(15): 3221-3236.

[6] 王熙純, 劉純, 林偉芳, 等. 風機故障穿越特性對大規模風電直流外送系統暫態過電壓的影響及參數優化[J]. 電網技術, 2021, 45(12): 4612-4621. Wang Xichun, Liu Chun, Lin Weifang, et al. Influence of wind turbine fault ride-through characteristics on transient overvoltage of large-scale wind power DC transmission systems and parameter optimization[J]. Power System Technology, 2021, 45(12): 4612-4621.

[7] 張炎, 丁明, 韓平平, 等. 直流閉鎖后風電送端系統暫態穩定及控制策略研究[J]. 電工技術學報, 2020, 35(17): 3714-3726. Zhang Yan, Ding Ming, Han Pingping, et al. Study on the transient stability and control schemes of the sending-end system involving wind power after UHVDC block[J]. Transactions of China Electrote-chnical Society, 2020, 35(17): 3714-3726.

[8] 于琳, 孫華東, 徐式蘊, 等. 電力電子設備接入電壓支撐強度量化評估指標綜述[J]. 中國電機工程學報, 2022, 42(2): 499-515. Yu Lin, Sun Huadong, Xu Shiyun, et al. Overview of strength quantification indexes of power system with power electronic equipment[J]. Proceedings of the CSEE, 2022, 42(2): 499-515.

[9] 陳磊, 劉永奇, 戴遠航, 等. 電力電子接口新能源并網的暫態電壓穩定機理研究[J]. 電力系統保護與控制, 2016, 44(9): 15-21. Chen Lei, Liu Yongqi, Dai Yuanhang, et al. Study on the mechanism of transient voltage stability of renewable energy source with power electronic interface[J]. Power System Protection and Control, 2016, 44(9): 15-21.

[10] Cheng Peng, Li Kongyuan, Wu Chao, et al. Flexible power regulation and limitation of voltage source inverters under unbalanced grid faults[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2022, 6(2): 153-161.

[11] 金一丁, 于釗, 李明節, 等. 新一代調相機與電力電子無功補償裝置在特高壓交直流電網中應用的比較[J]. 電網技術, 2018, 42(7): 2095-2102. Jin Yiding, Yu Zhao, Li Mingjie, et al. Comparison of new generation synchronous condenser and power electronic reactive-power compensation devices in application in UHV DC/AC grid[J]. Power System Technology, 2018, 42(7): 2095-2102.

[12] 蘇東亮, 鄧化運. 新型大容量調相機原理及運行控制[J]. 電氣技術, 2021, 22(6): 87-91. Su Dongliang, Deng Huayun. Principle and control of new type large capacity synchronous compensator[J]. Electrical Engineering, 2021, 22(6): 87-91.

[13] Yu Hui, Awal M A, Tu Hao, et al. Comparative transient stability assessment of droop and dispatchable virtual oscillator controlled grid-connected inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2021, 36(2): 2119-2130.

[14] Fang Jingyang, Li Xiaoqiang, Li Hongchang, et al. Stability improvement for three-phase grid-connected converters through impedance reshaping in quadrature-axis[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(10): 8365-8375.

[15] Pei Jinxin, Yao Jun, Liu Ruikuo, et al. Characteristic analysis and risk assessment for voltage–frequency coupled transient instability of large-scale grid-connected renewable energy plants during LVRT[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2020, 67(7): 5515-5530.

[16] 楊樹德, 同向前, 尹軍, 等. 增強并網逆變器對電網阻抗魯棒穩定性的改進前饋控制方法[J]. 電工技術學報, 2017, 32(10): 222-230, 240. Yang Shude, Tong Xiangqian, Yin Jun, et al. An improved grid voltage feedforward strategy for grid-connected inverter to achieve high robust stability against grid-impedance variation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(10): 222-230, 240.

[17] 張興, 李明, 郭梓暄, 等. 新能源并網逆變器控制策略研究綜述與展望[J]. 全球能源互聯網, 2021, 4(5): 506-515. Zhang Xing, Li Ming, Guo Zixuan, et al. Review and perspectives on control strategies for renewable energy grid-connected inverters[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2021, 4(5): 506-515.

[18] Rocabert J, Luna A, Blaabjerg F, et al. Control of power converters in AC microgrids[J]. IEEE Trans-actions on Power Electronics, 2012, 27(11): 4734-4749.

[19] Fang Jingyang, Deng Han, Goetz S M. Grid impedance estimation through grid-forming power converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2021, 36(2): 2094-2104.

[20] Rosso R, Wang Xiongfei, Liserre M, et al. Grid-forming converters: control approaches, grid-synch-ronization, and future trends—a review[J]. IEEE Open Journal of Industry Applications, 2021, 2: 93-109.

[21] 屈子森. 高比例新能源電力系統電壓源型變流器同步穩定性分析與控制技術[D]. 杭州: 浙江大學, 2021.

[22] Wu Heng, Wang Xiongfei. Design-oriented transient stability analysis of grid-connected converters with power synchronization control[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(8): 6473-6482.

[23] Pan Donghua, Wang Xiongfei, Liu Fangcheng, et al. Transient stability of voltage-source converters with grid-forming control: a design-oriented study[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2020, 8(2): 1019-1033.

[24] Zhang Haobo, Xiang Wang, Lin Weixing, et al. Grid forming converters in renewable energy sources dominated power grid: control strategy, stability, application, and challenges[J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2021, 9(6): 1239-1256.

[25] 張宇, 蔡旭, 張琛, 等. 并網變換器的暫態同步穩定性研究綜述[J]. 中國電機工程學報, 2021, 41(5): 1687-1702. Zhang Yu, Cai Xu, Zhang Chen, et al. Transient synchronization stability analysis of voltage source converters: a review[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(5): 1687-1702.

[26] 黃林彬, 辛煥海, 鞠平, 等. 電力電子并網裝備的同步穩定分析與統一同步控制結構[J]. 電力自動化設備, 2020, 40(9): 10-25. Huang Linbin, Xin Huanhai, Ju Ping, et al. Synchronization stability analysis and unified synchronization control structure of grid-connected power electronic devices[J]. Electric Power Auto-mation Equipment, 2020, 40(9): 10-25.

[27] Taul M G, Wang Xiongfei, Davari P, et al. An overview of assessment methods for synchronization stability of grid-connected converters under severe symmetrical grid faults[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(10): 9655-9670.

[28] Hu Qi, Fu Lijun, Ma Fan, et al. Large signal synchronizing instability of PLL-based VSC connected to weak AC grid[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2019, 34(4): 3220-3229.

[29] 楊柳. 逆變器并聯系統的研究[D]. 天津: 天津大學, 2014.

[30] Du Wei, Tuffner F K, Schneider K P, et al. Modeling of grid-forming and grid-following inverters for dynamic simulation of large-scale distribution systems[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2021, 36(4): 2035-2045.

[31] 楊雄超. 孤島模式下多變流器微網分層協調控制策略及實驗研究[D]. 成都: 電子科技大學, 2020.

[32] 柴秀慧, 張純江, 柴建國, 等. 改進互聯通信荷電狀態下垂控制及功率均衡優化[J]. 電工技術學報, 2021, 36(16): 3365-3374. Chai Xiuhui, Zhang Chunjiang, Chai Jianguo, et al. Improved interconnected communication state of charge droop control and power balance optimization[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(16): 3365-3374.

[33] Mahmood H, Michaelson D, Jiang Jin. Accurate reactive power sharing in an islanded microgrid using adaptive virtual impedances[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(3): 1605-1617.

[34] Urtasun A, Sanchis P, Guinjoan F, et al. Parameter-independent battery control based on series and parallel impedance emulation[J]. IEEE Access, 2019, 7: 70021-70031.

[35] Li Ming, Zhang Xing, Zhao Wei. A novel stability improvement strategy for a multi-inverter system in a weak grid utilizing dual-mode control[J]. Energies, 2018, 11(8): 2144.

[36] 涂春鳴, 李慶, 郭祺, 等. 具備電壓質量調節能力的串并聯一體化多功能變流器[J]. 電工技術學報, 2020, 35(23): 4852-4863. Tu Chunming, Li Qing, Guo Qi, et al. Research on series-parallel integrated multifunctional converter with voltage quality adjustment[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(23): 4852-4863.

[37] 裴金鑫, 姚駿, 黃森, 等. 電網短路故障下新能源并網變換器的暫態同步機制及其自適應穩定控制策略[J].中國電機工程學報, 2022, 42(16): 5922-5934. Pei Jinxin, Yao Jun，Huang Sen, et al. Transient synchronization mechanism and adaptive stability control strategy for renewable energy grid-connected converter under grid faults[J]. Proceedings of the CSEE, 2022, 42(16): 5922-5934

[38] Me S P, Zabihi S, Blaabjerg F, et al. Adaptive virtual resistance for postfault oscillation damping in grid-forming inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2022, 37(4): 3813-3824.

[39] 全相軍, 張從越, 吳在軍, 等. 電壓控制型并網逆變器瞬時功率降階控制方法[J]. 電力系統自動化, 2021, 45(2): 139-147. Quan Xiangjun, Zhang Congyue, Wu Zaijun, et al. Order-reduced control method of instantaneous power for voltage-controlled grid-connected inverter[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(2): 139-147.

[40] 趙峰, 帥智康, 彭也倫, 等. 含電流限幅器的逆變器暫態穩定性評估方法[J]. 中國電機工程學報, 2021, 41(6): 2245-2255. Zhao Feng, Shuai Zhikang, Peng Yelun, et al. Evaluation method for transient stability of inverter containing current limiter[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(6): 2245-2255.

[41] Bottrell N, Green T C. Comparison of current-limiting strategies during fault ride-through of inverters to prevent latch-up and wind-up[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, 29(7): 3786-3797.

[42] Paquette A D, Divan D M. Virtual impedance current limiting for inverters in microgrids with synchronous generators[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2015, 51(2): 1630-1638.

[43] Chen Zhe, Lasseter R H, Jahns T M. Active power reserve control for grid-forming PV sources in microgrids using model-based maximum power point estimation[C]//2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Baltimore, MD, USA, 2019: 41-48.

[44] Peng Qiao, Tang Zhongting, Yang Yongheng, et al. Event-triggering virtual inertia control of PV systems with power reserve[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2021, 57(4): 4059-4070.

[45] Quan Xiangjun, Yu Ruiyang, Zhao Xin, et al. Photovoltaic synchronous generator: architecture and control strategy for a grid-forming PV energy system[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2020, 8(2): 936-948.

Transient Voltage Support Strategy for Hybrid Multi-Converter of Controlled Voltage/Current Source Converter

Yang Ming1Cao Wu1Zhao Jianfeng1Zhu Lingzhi2Wang Baoji3

（1. School of Electrical Engineering Southeast University Nanjing 210096 China 2. China Electric Power Research Institute (Nanjing) Nanjing 210003 China 3. Sungrow Power Supply Co. Ltd Hefei 230009 China）

The increasing proportion of renewable energy makes the power system have obvious power electronic characteristics. The converters used for renewable energy is more sensitive to system voltage due to its weak high-low voltage ride-through capability. Under the condition of large disturbance of transient voltage condition, the renewable energy converter is very easy to be locked and cut off. The stable operation of high voltage direct current transmission also highly depends on the transient voltage stability. Therefore, the transient voltage problem of new type power grid with high proportion of renewable energy is the key to the safe and stable operation of the system.

Currently, the transient active support capability of the converter is not available due to synchronization problems and reactive power output ability under transient voltage conditions. To solve the problems existing in active support of renewable energy station, controlled voltage/current source converters are connected in parallel to form a hybrid multi-converter system. The controlled voltage source converter realizes power angle control through power control. The synchronization control is not affected by system transient voltage. Therefore, stable synchronization conditions are provided by controlled voltage source converters. The controlled current source converter can output fast and accurate reactive power support. Based on the analysis and summary of active transient voltage support requirements of renewable energy station, a hybrid multi-converter transient voltage support strategy of controlled voltage/current source converter is proposed to improve the transient voltage stability of renewable energy station and enable it to support transient voltage actively.

Controlled voltage source converters are prone to lose voltage source characteristics and reduce reactive power output capabilities because of the large power fluctuations under transient conditions. The overcurrent degree of the converter is flexibly limited by virtual impedance to improve the adaptability of the controlled voltage source converter to transient conditions. By suppressing the response to voltage fluctuations in the active power control of the converter, the effect of increasing the active power fluctuation damping can be achieved. The reactive power output capability of the controlled voltage source converter can also be guaranteed while promoting the stable operation of the converter. The flexible limiting of transient current combined with transient active power damping control ensures the voltage control stability and reactive power output capability of the controlled voltage source converter under transient conditions.

The steady state of the controlled current source converter is mainly output active power. In the transient state, it is necessary to adjust its power output target according to the voltage change. The reactive power compensation demand is calculated under the current condition. The compensation demand is superimposed on the current reactive power control target. And the active power control target is accordingly reduced. So the adaptive compensation control of the controlled current source converter is realized. The transient voltage reactive power support of the controlled current source converter can be realized under the limitation of the converter capacity.

The following conclusions can be drawn from the simulation and experimental results: the proposed strategy can fully combine the advantages of the controlled voltage source converter and the controlled current source converter. The controlled voltage source converter can ensure the control voltage stability in the transient process and the output capability of the hybrid multi-converter system. Under the stable condition of phase locking, the controlled current source converter can take into account the stable and reliable reactive power output of its own operation. The hybrid multi-converter system based on controlled voltage/current source converter can meet the key requirements of transient voltage support and improve the voltage stable level under transient conditions.

The hybrid multi-machine system with proposed strategy can be taken as the basis of further research on transient voltage support. The coordinated control of converters and other reactive power compensation equipment in renewable energy stations can be studied to further improve the transient voltage active support capability of renewable energy station.

Controlled voltage/current source, hybrid multi-converter, transient voltage, support strategy

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220669

TM464

國家重點研發計劃資助項目（2021YFB2400500）。

2022-04-27

2022-07-14

楊 銘 男，1986年生，博士研究生，研究方向為高比例新能源并網控制及其主動支撐技術。E-mail：mingyang_ee@seu.edu.cn

曹 武 男，1984年生，副教授，碩士生導師，研究方向為高比例新能源并網控制及其主動支撐技術、電力電子化電力系統穩定性分析與控制。E-mail：caowu_ee@seu.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫蕾）