惯性同步构网型变换器定量感...频率的机理及抗干扰控制策略_桑顺.pdf

第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 Vol.47 No.4 2023 年 4 月 Power System Technology Apr.2023 文章编号：1000-3673（2023）04-1395-12 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 惯性同步构网型变换器定量感知电网频率的机理及抗干扰控制策略桑顺1,2，徐婷1，齐琛1，黄杰杰2，薛晓岑2（1新能源与储能运行控制国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司)，北京市 海淀区 100192；2南通大学电气工程学院，江苏省 南通市 226019）Mechanism of Quantitatively Sensing Grid Frequency and Anti-disturbance Control Strategy for the Grid-forming Converter SANG Shun1,2,XU Ting1,QI Chen1,HUANG Jiejie2,XUE Xiaocen2(1.State Key Laboratory of Operation and Control of Renewable Energy&Storage Systems (China Electric Power Research Institute),Haidian District,Beijing 100192,China;2.School of Electrical Engineering,Nantong University,Nantong 226019,Jiangsu Province,China)ABSTRACT:The grid-forming control based on the inertia synchronous control can enable the converter to autonomously sense the grids frequency fluctuation,which has great advantages in the application of high-voltage direct current transmission systems.However,this grid-forming control strategy is easily disturbed by factors such as grid voltage fluctuations in the process of sensing the grids frequency.Aiming at these above issues,this paper establishes the small-signal model of the grid-forming converter,and reveals the dynamic coupling mechanism between the dc-link voltage and the grid frequency,the grid voltage and the input motive force from the perspective of damping characteristics.Next,the high-frequency and low-frequency anti-disturbance controllers are respectively proposed to deal with high and low-frequency disturbances,so that the dc-link voltage of the converter can quantitatively sense the grid frequency and not be disturbed by factors such as grid voltage fluctuations.Finally,the parameter design method of the proposed high-frequency and low-frequency anti-disturbance controllers is presented,and the influence of the anti-disturbance controllers on the interaction stability between the grid-forming converter and the grid is analyzed.On the PSCAD/EMTDC platform,the correctness of the theoretical analysis and the feasibility of the proposed control methods are verified.KEY WORDS:wind power generation and grid integration;基金项目：2022 年度新能源与储能运行控制国家重点实验室开放基金项目资助(NYB51202201698)。Project Supported by Open Fund of State Key Laboratory of Operation and Control of Renewable Energy&Storage Systems(China Electric Power Research Institute)(No.NYB51202201698).inertia support;autonomously sense frequency;anti-disturbance control strategy;stability analysis 摘要：基于惯性同步的构网型控制可使变换器自主感知电网频率波动，在高压直流输电系统上应用具有极大的优势。然而，这种构网型控制策略在感知电网频率的过程中易受到电网电压波动等因素的干扰。针对上述问题，建立构网型变换器的小信号数学模型，从阻尼特性的角度揭示构网型变换器直流电压与电网频率、电网电压、输入原动力之间的动态耦合机制。接下来，分别提出应对高、低频扰动的高频抗扰控制器及低频抗扰控制器，实现变换器直流电压定量感知电网频率、不受电网电压波动等因素的干扰。最后，给出所提高频、低频抗扰控制器的参数设计方法，分析了抗扰控制器对构网型变换器与电网交互稳定性的影响。在 PSCAD/EMTDC 平台上，验证了理论分析的正确性以及所提控制方法的可行性。关键词：风力发电与并网；惯量支撑；自主感知频率；抗干扰控制策略；稳定性分析 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.2272 0 引言 电力系统的低碳转型已成为我国碳达峰、碳中和战略的重要组成部分1。构建新型电力系统，将使电力系统呈现的高比例新能源、高比例电力电子设备的“双高”特征愈加凸显2-3。变换器的控制是影 响 新 能 源 并 网 性 能 的 关 键，现 有 跟 网 型(grid-following，GFL)变换器采用锁相环同步电网、调节输出电流的控制方式，呈现出电流源外特性4，缺乏作为主电源支撑孤岛电网的能力5。另一方面，高比例新能源接入电网时，跟网型变换器与电网之1396 桑顺等：惯性同步构网型变换器定量感知电网频率的机理及抗干扰控制策略 Vol.47 No.4 间的异常交互作用更加强烈6-7，引发诸如次同步振荡8、谐波振荡9等问题。构网型(grid-forming，GFM)控制通过模拟同步发电机的运动方程，能够主动支撑电网10-11。此外，相关研究表明，构网型控制有助于提高变换器与弱电网的交互稳定性12-13，对于解决高比例可再生能源并网难题具有良好的前景。目前，现有典型的构网型控制有功率同步控制14-15、功率下垂控制16、以及虚拟同步控制17，文献14-15研究了变换器的功率同步控制方法，通过模拟同步发电机的转子运动方程，实现了无锁相环自主同步电网的功能。作为构网型控制最简单的实现方式之一，功率下垂控制16通过模拟同步机的无功电压、有功频率的下垂特性，可以实现多个并联变换器间按照下垂系 数分配输出功率。相比功率下垂控制，虚拟同步控制17进一步模拟了机电和电磁动态，使变换器具备了惯性阻尼特性。上述 3 种构网型控制方法14-17以输出有功功率为控制目标，适用于输入原动力稳定且可控的变换器。对于输入功率具有间歇性和波动性的变换器，如全功率风电机组的网侧变换器、高压直流(high voltage direct current，HVDC)输电系统的受端换流站，仍然需要以直流电压为控制目标的构网型控制策略。另一方面，一类利用直流电容动态自主同步电网的构网型控制方法相继被提出18-19。文献20根据变换器与同步发电机在动力学上的相似性原理，提出利用变换器直流电容能量模拟同步发电机转子能量的惯性同步控制(inertia synchronous control，ISynC)方法，这种方法以直流电压为控制目标、具有控制延时低的优势。在 ISynC-GFM 控制下，文献21指出并网变换器的直流电压能够跟随电网频率波动，起到“锁频环”的作用，并且根据观测到的电网频率实现全功率风电机组对电网的惯量支撑功能。文献22将 ISynC-GFM 控制应用于全直流风电场，利用 HVDC 的直流电压自主感知电网频率，并将其传递到风电场侧，与常规基于通信传递电网频率的方法相比，这种方法降低了延时、提高了可靠性。文献23进一步将 ISynC-GFM 控制应用于多端直流输电系统，根据直流电压与电网频率的实时联动特性，结合下垂控制实现了多个换流站之间的自动负荷分配。此外，文献24-26的研究结果表明，ISynC-GFM 控制的变换器在弱电网环境中具有良好的稳定性。然而，上述文献20-26中，利用变换器直流电压定量感知电网频率没有考虑电网电压波动、输入原动力波动等因素的干扰，如何使ISynC-GFM 控制下变换器的直流电压仅定量跟踪电网频率、不受电网电压幅值及原动力功率波动的干扰是亟待解决的关键问题。此外，文献27量化分析了构网型虚拟同步发电机的惯量与阻尼水平，在此基础上提出一种虚拟电感控制方法，有效提升了构网型虚拟同步发电机在强、弱电网条件下的稳定性。文献28对比研究了 4 种典型构网型控制的暂态稳定性，根据动态特性将功率同步控制、下垂控制归纳为无惯量的构网型控制，将附加低通滤波器的下垂控制、虚拟同步发电机控制归纳为有惯量的构网型控制。该文指出无惯量的构网型控制在暂态稳定方面更具有竞争力；对于有惯量的构网型控制，可通过设计控制器参数提高系统阻尼，增强暂态稳定性。文献29研究大扰动条件下构网型变换器的功角特性，以虚拟同步发电机控制、附加低通滤波器的下垂控制为例，揭示了变换器动态特性与控制参数之间的量化关系。上述文献27-29的研究对象是以输出功率为控制目标的构网型变换器，虽然与本文中以直流电压为控制目标的惯性同步构网型变换器不同，但文献27-29中量化计算、增强阻尼的研究思路可为本文抗干扰控制器的设计提供参考。本文研究的惯性同步构网型控制以变换器直流电压为控制目标，在应用于如风电场经柔性直流输电并网的双级式变换器系统时，惯性同步构网型控制的受端换流站不易与送端换流站交互引发振荡失稳问题。对于以输出有功功率为控制目标的构网型控制14-17,27-29，如虚拟同步控制、下垂控制等，应用于如风电场经柔性直流输电并网的双级式变换器系统时，须采用受端换流站控制输出有功功率、送端换流站控制直流电压的模式。风电场向电网发出功率时受端换流站呈现出负电阻特性，易导致送端换流站与受端换流站在直流侧异常交互引发振荡失稳。相较现有应用于虚拟同步发电机上的抗干扰控制方法27-29，本文所提抗干扰控制方法面向的是以直流电压为控制目