電網故障期間下垂控制逆變器暫態響應特性分析

摘 要：下垂控制逆變器接入弱電網時具有優異的穩態運行能力，能夠為電網提供電壓和頻率支撐。然而，電網短路故障發生后下垂控制逆變器不僅會缺乏慣性導致頻率發生突變，還面臨著暫態失穩風險。針對這一問題，建立了下垂控制逆變器暫態數學模型，分析了逆變器暫態響應特性，量化評估了控制參數對頻率跳變量和暫態穩定性的影響，從而為暫態控制參數優化提供依據。最后，基于詳細的仿真結果驗證了理論分析的正確性。

關鍵詞：電網故障；下垂控制；頻率跳變；暫態穩定性

中圖分類號：TM464" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）17-0011-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.003

0" " 引言

新能源發電系統通過逆變器將電能傳輸至公共電網，因此逆變器的穩定運行對電力系統安全具有重要意義。隨著新能源的快速發展，輸電線路的延長和變壓器數量的增加使電網呈現弱電網特性，電網和逆變器的耦合作用顯著增強，易引發逆變器失穩[1]。近年來，下垂控制逆變器通過模擬同步發電機的下垂特性，接入弱電網時具有優異的穩態運行能力，獲得了學者們的廣泛關注。

電網故障瞬間下垂控制逆變器由于缺乏慣性，頻率會發生突變，威脅電力設備的安全。此外，電網故障發生后，下垂控制逆變器平衡點會發生較大變化，甚至可能引發暫態失穩，進而觸發保護動作，導致跳閘脫網。因此，亟需揭示下垂控制逆變器暫態響應特性，明晰制約暫態響應特性提升的關鍵控制參數，為暫態控制參數的設計提供理論基礎。

當前關于下垂控制暫態響應特性分析已有一些研究。文獻[2]討論了下垂控制逆變器存在平衡點時控制參數對功角和頻率的暫態運動軌跡的影響。文獻[3]構造了下垂控制逆變器的暫態能量函數，從能量轉化的角度闡述了暫態穩定機理。文獻[4]分析了電網故障期間下垂控制逆變器的暫態穩定運行范圍，并提出一種面向暫態穩定性提升的有功功率調節法。綜上所述，現有研究大多聚焦于電網故障持續過程中下垂控制逆變器暫態穩定機理分析，罕有考慮電網故障瞬間頻率突變的影響，難以準確反映下垂控制逆變器的暫態響應特性。

本文建立了下垂控制逆變器暫態數學模型，刻畫了控制參數和頻率跳變的量化關系，并分析了不同故障程度下逆變器暫態同步過程。最后通過仿真結果驗證了理論分析的正確性。

1" " 下垂控制逆變器暫態數學模型

下垂控制逆變器主電路和控制框圖如圖1所示。Lf和Cf分別表示濾波電感和濾波電容，Lg為電網電感，VPCC、Vg和I分別表示逆變器輸出電壓、公共電網電壓和輸出電流。

下垂控制逆變器的有功功率控制環路和無功功率控制環路的數學方程可以表示為：

2" " 暫態響應特性分析

2.1" " 頻率跳變特性

2.2" " 暫態穩定性

基于式（1）和（4），電網故障期間逆變器存在平衡點時的相圖如圖3所示，其中Vg跌落至0.8 p.u.。a點和b點分別表示正常電網下逆變器的穩定平衡點和不穩定平衡點，δsn和δun分別為a點和b點對應的功角。c點和d點分別表示電網故障期間逆變器的穩定平衡點和不穩定平衡點，δsf和δuf分別為c點和d點對應的功角。電網故障瞬間下垂控制逆變器的輸出頻率發生突變。由前述分析可知，隨著Dp增大，Δft增加。例如，當Dp分別為1.5×10-4和3.0×10-4時，逆變器從a點分別跳變至e點和f點。此后，ω大于ωg，δ和Pe增加，導致ω降低。當ω降低至ωg時，逆變器最終運行至c點。

類似地，電網故障期間逆變器不存在平衡點時的相圖如圖4所示，其中Dp為3.0×10-4。可以觀察到，電網故障期間逆變器不存在平衡點。如果不及時清除故障，ω始終大于ωg，δ持續增加。一旦δ超出δun，下垂控制逆變器將發生暫態失穩[6]。定義δ增加至δun對應的故障持續時間FD（Failure Duration）為極限清除時間CCT（Critical Clearing Time）。為了使逆變器保持暫態穩定運行，FD應小于CCT。具體地說，當電網故障發生后，逆變器的工作點從a點突變至e點。此后，δ開始增加。隨著逆變器運行至g點，δ增加至δc，電網故障被清除，逆變器從g點突變至h點。由于ω小于ωg，因此δ減小。當ω降低至ωg時，δ=δsn，逆變器最終運行至a點。當FD高于CCT時，即使電網故障被清除，δ仍會持續增加，逆變器發生暫態失穩。

綜上所述，電網故障期間下垂控制逆變器只要存在平衡點時，就能夠保持暫態穩定運行。否則，逆變器需滿足FD＜CCT，才能夠避免暫態失穩。

3" " 仿真結果

為了驗證理論分析的正確性，搭建了如圖1所示的MATLAB/Simulink仿真模型。表1為下垂控制逆變器參數。

4" " 結束語

針對下垂控制逆變器暫態響應特性難以準確刻畫的問題，本文建立了下垂控制逆變器暫態數學模型，分析了其由于缺乏慣性而引入的頻率跳變特性以及不同電網故障程度下的暫態穩定機理。分析結果表明，更大的Dp會導致Δft增加，可能會威脅電力設備的安全。另一方面，下垂控制逆變器為了避免暫態失穩，其在不存在平衡點時需及時清除故障，以滿足FD低于CCT。此外，較小的Dp會增加CCT，增強暫態同步運行能力。

[參考文獻]

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[6] 詹長江，吳恒，王雄飛，等.構網型變流器穩定性研究綜述[J].中國電機工程學報，2023，43（6）：2339-2359.

收稿日期：2024-04-29

作者簡介：劉孟桃（1996—），女，安徽亳州人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：新能源并網系統的穩定性。