魏力超，王晨軒，章澤磊，汪 震

（浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027）

0 引 言

近年來，為了實現2030年前二氧化碳排放達峰、2060年前碳中和的目標[1，2]，我國正逐步構建高比例新能源、高比例電力電子設備的新型電力系統(tǒng)。隨著在新型電力系統(tǒng)中電力電子變流器占比的不斷增加，傳統(tǒng)電網特性正在發(fā)生轉變[3，4]。在高比例電力電子設備的電力系統(tǒng)中，電壓源型變流器的占比正快速攀升，并在實際工程中得到了充分認可。尤其是，基于電壓源型變流器的柔性直流輸電技術具有響應速度快、控制靈活、輸出諧波少、適合向無源系統(tǒng)供電等優(yōu)勢，已經得到了廣泛的應用[5-7]。我國柔性直流輸電技術發(fā)展極其迅速，并取得了多項成功案例[8]。

電壓源型變流器的控制模式可以分為跟網型（grid-following，GFL）和組網型（grid-forming，GML）[9]。目前的電壓源型變流器一般采用跟網型控制，跟網型變流器利用鎖相環(huán)（phase locked loop，PLL）跟蹤交流電網電壓來提供輸出電壓的相位角，實現與電網的同步。電力電子設備的大量接入會導致電網強度大幅度降低[10]，而電網強度對鎖相環(huán)的控制性能有著重要影響。特別是系統(tǒng)短路比（short circuit ratio，SCR）常被用來描述電網的強度[11]。文獻[12]的研究結果表明，在弱電網下鎖相環(huán)與電流控制會出現嚴重的耦合現象，對電流控制的穩(wěn)定裕度造成較大影響，一個小的擾動就會引起電網頻率的較大波動和偏差。為了改善跟網型變流器的頻率響應，學者們提出了基于PLL的下垂控制[13]和基于PLL的虛擬同步發(fā)電機（virtual synchronous generator，VSG）控制[14]等改進的跟網型控制方法。但是，在弱電網下這些方法依舊會降低變流器的穩(wěn)定性，引起頻率振蕩等問題。

針對跟網型變流器存在的問題，能夠在弱電網下為提供系統(tǒng)可靠頻率支撐能力的組網型變流器被提出[15]。組網型變流器最初被設計為定電壓/頻率（VF）控制，它作為一個理想的電壓源，能夠形成穩(wěn)定的交流電壓，但由于輸出的電壓和頻率恒定，只能應用于無源電網[16]。當其應用于有源電網時，需在VF控制的基礎上增添功率控制外環(huán)，組網型變流器的基本思想在于通過調節(jié)功率從而輸出電壓幅值和相位的給定值，因此不需要借助鎖相環(huán)便可實現同步。目前，應用最為廣泛的是組網型下垂控制[17]，另外還有匹配控制[18]、虛擬振蕩器控制[19]等非線性控制方法。

隨著柔性直流系統(tǒng)中換流站容量的不斷增大，使其參與交流電網的頻率調節(jié)具有重要意義。目前的柔性直流系統(tǒng)中大多數采用跟網型換流站，無法靈活地參與系統(tǒng)調頻，在弱電網下可能會有更嚴重的穩(wěn)定問題[20]。在柔性直流輸電系統(tǒng)中應用組網型換流站，能夠改善系統(tǒng)在弱電網的頻率穩(wěn)定性。

對于柔性直流系統(tǒng)參與交流電網調頻的控制策略，國內外許多學者已經進行了相關研究。文獻[21]提出了一種基于頻率下垂思想的控制策略，并在兩端柔性直流系統(tǒng)中驗證了方法的可行性。文獻[22]通過添加虛擬慣性環(huán)，在下垂系數中考慮了頻率偏差，能夠在一定程度上穩(wěn)定頻率，但是無法實現頻率的無差控制。文獻[23]采用下垂控制、VSG控制等控制策略，加快了柔性直流系統(tǒng)的功率調節(jié)速度，有益于交流系統(tǒng)間進行頻率支援。文獻[24]對柔直換流站參與系統(tǒng)調頻的VSG方法進行了研究，同時對直流電壓進行了協(xié)調控制，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性。文獻[25]為了改善柔直換流站參與調頻過程中的暫態(tài)波動，將自適應虛擬慣性控制應用到柔性直流輸電系統(tǒng)。文獻[26]提出一種無需鎖相環(huán)的換流站控制方式，使柔直換流站對交流電網體現為電壓源，解決了柔性直流系統(tǒng)并入弱電網的諧振問題。

本文針對柔性直流系統(tǒng)連接弱電網時由于跟網型換流站中鎖相環(huán)的非線性引起的頻率穩(wěn)定性問題，提出了無需鎖相環(huán)的組網型VSG控制策略。該控制策略在換流站輸出的有功功率、無功功率與交流電網的頻率、電壓之間建立了一定的函數關系，并且不依賴鎖相環(huán)跟蹤系統(tǒng)頻率，使得柔性直流系統(tǒng)在弱電網下?lián)碛辛己玫念l率調節(jié)能力。最后，在PSCADEMTDC仿真平臺上搭建了三端VSC-MTDC系統(tǒng)對所提控制策略的有效性進行了驗證。

1 跟網型柔直換流站頻率控制策略

典型的跟網型變流器的等效電路如圖1所示[9]，其外特性表現為與阻抗Z并聯(lián)的受控電流源，其中P*和Q*分別表示變流器輸出有功功率和無功功率的參考值；V1為交流電網電壓。跟網型變流器通過控制輸出電流來控制其輸出功率。

圖1 跟網型變流器的等效電路

1.1 跟網型變流器控制結構

跟網型變流器的控制結構如圖2所示。圖中，變流器控制結構由以下幾部分組成：采樣、鎖相環(huán)、功率控制外環(huán)、電流控制內環(huán)以及PWM發(fā)生器。

圖2 跟網型變流器的控制結構

變流器采樣得到的信號均存在于三相abc靜止坐標系中，為了簡化控制器的設計，變流器通常在兩相dq旋轉坐標系中控制。為此，首先需要通過如式所示的變換矩陣對采樣信號進行坐標變換。

其中，鎖相環(huán)通過跟蹤交流電網電壓獲得的相位角θ作為坐標變換時使用的坐標角。功率控制外環(huán)根據不同的控制要求調節(jié)不同的變量，包括有功功率、無功功率、直流側電壓和交流側電壓，其輸出值被作為電流控制內環(huán)的輸入信號。電流控制內環(huán)通過比例積分控制器（PI）調節(jié)輸出電流，以獲得變流器的調制信號。

1.2 基于PLL的下垂控制

基于PLL的下垂控制是應用最為廣泛的換流站控制策略，其控制框圖如圖3所示[13]。其中，m和n分別為有功—頻率下垂系數和無功—電壓下垂系數，L和C分別是濾波電感和濾波電容；ω0是額定頻率，V2為換流站的輸出電壓，δ是功率角，下標d和q分別代表d軸和q軸分量。

圖3 基于PLL的下垂控制結構

采用基于PLL的下垂控制的換流站可以對電網擾動做出響應，具有參與交流電網頻率調節(jié)的能力。但其仍然作為受控電流源運行，沒有獨立運行能力，在弱電網中，由鎖相環(huán)引起的固有的頻率穩(wěn)定性問題仍然是一個潛在的風險。

1.3 基于PLL的VSG控制

基于PLL的下垂控制不具備同步發(fā)電機的慣性和阻尼特征。為此，在基于PLL的下垂控制的基礎上增加了一個虛擬慣性環(huán)，提出了一種基于PLL的VSG控制。VSG控制技術通過模擬同步發(fā)電機機械和電磁部分，旨在為電網提供慣性支持[14]，由于模擬了同步發(fā)電機的運行特性，所以其天然具有參與交流電網頻率響應的能力[27-29]。

基于PLL的VSG控制框圖如圖4所示。其虛擬慣性控制是根據同步發(fā)電機的轉子運動方程設計的：

圖4 基于PLL的VSG控制結構

其中，ω為換流站的輸出頻率，Pm和Pe分別模擬同步發(fā)電機的機械功率和電磁功率，Tm和Te分別模擬同步發(fā)電機的機械轉矩和電磁轉矩，J為虛擬轉動慣量；DP為阻尼系數，J的存在使VSG在頻率動態(tài)過程中具有了虛擬慣性，DP的存在使VSG對頻率振蕩具有阻尼作用。在初始穩(wěn)定狀態(tài)下，Pm=Pe=P0，P0為額定功率。假設Pm保持不變，式（2）可以表示為：

上式反映了電磁功率變化ΔPe和頻率ω之間的動態(tài)特性，其中ΔPe包括慣性項（ΔPi）和阻尼項（ΔPd）。將功率變化ΔPe添加到額定功率P0中以調節(jié)換流站輸出的有功功率從而實現對頻率擾動的抑制。

1.4 跟網型換流站的同步原理

跟網型換流站主要采用電流源形式進行并網，同步過程需要依賴鎖相環(huán)追蹤外部電網的相位信息，并通過對注入電流的控制來控制功率輸出。鎖相環(huán)是一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，能夠直接采集外部電網的相位信號，并將輸出相位和參考相位的差值降到最低。如圖5所示，典型的鎖相環(huán)包含鑒相器（phase detector，PD），環(huán)路濾波器（loop filter，LF）和壓控振蕩器（voltage controlled oscillator，VCO）三個模塊[30]。

當鎖相環(huán)開始工作時，參考信號的頻率與VCO的固有振蕩頻率不同。因此，它們的相位差不斷變化。特別地，PD的特性周期為2π，因此PD輸出的電壓偏差量會在一定范圍內波動。這個電壓偏差量通過LF轉換成控制電壓加到VCO上，使VCO的輸出頻率趨向于參考信號的頻率，直到兩者完全相等，鎖相環(huán)達到平衡。兩個頻率之間的相位差不再隨時間改變，這時鎖相環(huán)處于“鎖定”狀態(tài)。當參考信號發(fā)生改變時，VCO的輸出頻率隨之改變，使鎖相環(huán)重回“鎖定”狀態(tài)，這一動態(tài)過程即為“跟蹤”過程。

2 組網型柔直換流站頻率控制策略

組網型變流器與跟網型變流器的工作特性不同，它表現為與阻抗Z串聯(lián)的可控電壓源，能夠直接控制輸出電壓以控制輸出功率，其等效電路如圖6所示[31]。其中，V*和ω*分別表示變流器電壓幅值和頻率的參考值；V1為交流電網電壓。相比于跟網型變流器，組網型變流器的電壓源特性和同步策略使其在弱電網中有更好的穩(wěn)定性。

圖6 組網型變流器的等效電路

2.1 組網型變流器控制結構

組網型變流器的控制結構如圖7所示，組網型變流器的采樣、電壓和電流控制以及PWM發(fā)生器與跟網變流器相同，在電壓/電流控制內環(huán)上的控制方法與跟網型變流器也是一致的。組網型控制通過調節(jié)功率輸出，給定一個電壓幅值V和相位θ的設定值，該相位角θ可以看作是同步信號，作為組網型變流器中坐標變換時使用的坐標角，該電壓幅值和相位被用作電壓和電流控制內環(huán)的給定值。最后，電壓和電流控制內環(huán)輸出一個調制信號通過PWM發(fā)生器產生功率器件的觸發(fā)信號。

圖7 組網型變流器的控制結構

2.2 組網型VSG控制

針對采用跟網型VSG控制的換流站在連接弱電網的情況下可能會因為鎖相環(huán)的非線性對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性帶來的影響，組網型VSG控制策略被提出。與圖3所示的基于PLL的VSG控制原理類似，組網型VSG控制技術的控制思想同樣來源于式（4）的傳統(tǒng)同步發(fā)電機運行特性。

組網型VSG的有功—頻率控制模擬同步發(fā)電機的轉子運動特性和調速器一次調頻過程，其表達式如下所示：

圖8中有功—頻率控制通過有功功率參考值P0與實際值Pe的偏差量實現對組網型VSG控制中虛擬轉速ω的調整，進而利用積分器得到輸出電壓的相位參考值θ，實現組網型VSG控制的自同步。組網型VSG電壓相位參考值的產生過程并未使用鎖相環(huán)，避免了連接弱電網的情況下鎖相環(huán)對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性帶來的不利影響。

圖8 具有慣性和阻尼特性的的有功—頻率控制

組網型VSG的無功—電壓控制模擬同步發(fā)電機的勵磁調節(jié)過程。傳統(tǒng)同步發(fā)電機通過改變勵磁電流來改變感應電動勢幅值，而組網型VSG通過檢測無功功率偏差和電壓偏差來調節(jié)輸出電壓幅值E，如式（5）所示。圖9給出了無功—電壓控制的控制框圖。

圖9 無功—電壓控制

其中，En是換流站空載運行時的機端電壓，V、V0分別是換流站并網點處的交流電壓的實際值和參考值；Qe、Q0分別是換流站輸出的無功功率的實際值和參考值；kq表示無功調節(jié)系數；kv表示電壓調節(jié)系數。

2.3 組網型換流站的同步原理

組網型換流站主要采用電壓源形式進行并網，與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機類似，組網型換流站通過調節(jié)其輸出有功功率實現與電網同步，下面簡要說明其功率同步原理：

定義并網點電壓超前于交流電網電壓的相位差為δ，δ變化的過程即為組網型換流站與電網的同步過程，與同步發(fā)電機轉子運動方程類似，對δ的控制如下所示：其中P*和P為換流站輸出有功功率的參考值和實際值。假設初始狀態(tài)下P*＞P，那么＞0，δ逐漸增大；P與δ呈正相關關系，因此P*與P之間的差值逐漸減小，直至P*=P，此時組網型換流站和交流電網的頻率一致，電壓相位差δ不再改變，完成同步過程。

3 兩種控制模式的換流站的區(qū)別

綜上所述，跟網型和組網型換流站主要存在以下三方面的區(qū)別：（1）電網擾動響應；（2）同步方式；（3）適用條件。

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3.1 電網擾動響應的區(qū)別

當電網發(fā)生擾動時，由于其固有的電流源特性，跟網型換流站在擾動瞬間將保持輸出電流恒定，在鎖相環(huán)重新追蹤到外界頻率之前，換流站的輸出電壓不可避免地會發(fā)生突變；由于其固有的電壓源特性，組網型換流站的內電勢在擾動瞬間將保持恒定，這種快速反應優(yōu)于跟網型換流站，但根據擾動大小和系統(tǒng)特性的不同，可能會導致?lián)Q流站輸出電流的突變，從而危及硬件組件。

3.2 同步方式的區(qū)別

跟網型換流站的同步過程需要依賴鎖相環(huán)追蹤外部電網的相位信息，而在弱電網下，跟網型換流站中的鎖相環(huán)無法較好地追蹤系統(tǒng)頻率，在頻率事件發(fā)生初始階段，鎖相環(huán)輸出的高頻振蕩成分，容易對系統(tǒng)頻率造成較大沖擊，嚴重情況下，可能影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行；對于組網型換流站，其不需要追蹤外界頻率而是通過功率信號實現同步，可以較好地適應弱電網。

3.3 適用條件的區(qū)別

跟網型換流站在強電網下具有較好的穩(wěn)定性和快速的功率響應能力。然而在弱電網下，鎖相環(huán)與電網阻抗之間存在強耦合，電網電壓前饋和高帶寬的鎖相環(huán)控制會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度[32]。組網型換流站的電壓源特性和功率同步策略使其在弱電網中更穩(wěn)定，能夠輕松地在弱電網中保持同步。同時，還具有對電網頻率的支撐作用，調頻過程的時延短、響應快。然而，在強電網下，組網型換流站功率控制環(huán)的動態(tài)欠阻尼特性會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

4 仿真分析

4.1 仿真系統(tǒng)搭建

為比較跟網型和組網型換流站在柔性直流系統(tǒng)連接弱電網時的調頻特性，本文基于PSCAD/EMTDC搭建了如圖10所示的三端VSC-MTDC仿真系統(tǒng)，受端電網SCR=2，是一個弱電網。換流站主要參數如表1所示。為簡化分析，假設直流線路壓降忽略不計，認為所有換流站均工作于同一直流電壓下。根據最大偏差10%的規(guī)定，直流電壓的穩(wěn)定運行范圍是380～420 k V。

表1 換流站主要參數

圖10 三端VSC-MTDC仿真系統(tǒng)

圖10中，VSC1與送端大電網AC1相連，采用定有功功率、定無功功率的控制方式，設定輸出有功功率500 MW，無功功率0 MVar。VSC2和VSC3與由同步發(fā)電機和負荷構成的交流系統(tǒng)AC2和AC3相連，設定VSC2輸出有功功率-300 MW，無功功率0 MVar；設定VSC3輸出有功功率-200 MW，無功功率0 MVar。其中VSC2與VSC3采用相同的控制方式，可選的控制策略有：

1）跟網型VSG控制（圖中以黑線表示）；

4.2 仿真驗證

當t=2 s時刻，交流電網AC2負荷增加30 MW，VSC2和VSC3采用兩種不同控制方法下的仿真結果如圖11所示。

如圖11（a）黑實線所示，當VSC2和VSC3采用跟網型VSG控制時，AC2的頻率下降到49.36 Hz，且在擾動發(fā)生的5 s后AC2的頻率才逐漸回升，恢復頻率穩(wěn)定的時間是30 s左右，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時的頻率偏差為0.1 Hz。如圖11（a）紅實線所示，當VSC2和VSC3采用組網型VSG控制時，AC2的頻率下降到49.50 Hz，且在擾動發(fā)生的3 s后AC2的頻率便逐漸回升，恢復頻率穩(wěn)定的時間是25 s左右，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時的頻率偏差為0.05 Hz。

仿真結果表明，在弱電網下組網型控制相較于跟網型控制有更快的頻率響應速度，能夠減小系統(tǒng)發(fā)生擾動時的頻率波動，使系統(tǒng)更快達到穩(wěn)定狀態(tài)，且穩(wěn)態(tài)時的頻率偏差更小，仿真結果與前文理論分析一致。

如圖11（e）所示，當換流站采用組網型VSG控制時，發(fā)生負荷擾動后系統(tǒng)的直流電壓在調頻過程中下降到391.9 kV，直流電壓的偏差量作為傳遞頻率偏差量的媒介，直流電壓的變化在VSC3對AC2的負荷擾動進行頻率支援的過程中是不可避免的，因此當負荷擾動進一步增大時，在頻率調節(jié)過程中增加對直流電壓波動的限制是必須考慮的。

圖11 AC2負荷增加30 MW仿真波形

5 結論和展望

本文對基于電壓源型變流器的柔性直流輸電系統(tǒng)中換流站的跟網型控制和組網型控制進行比較，針對跟網型VSG控制在弱電網下存在的頻率穩(wěn)定控制問題，提出了無需PLL的組網型VSG控制策略，組網型控制通過直接調節(jié)輸出功率來實現與電網的同步，在弱電網下有更好的穩(wěn)定性。最后搭建了一個三端柔性直流輸電系統(tǒng)進行仿真驗證了所提控制策略的有效性。理論分析和仿真驗證均表明，跟網型和組網型換流站之間有著本質的區(qū)別，跟網型換流站在強電網下有較好的穩(wěn)定性；而組網型換流站在弱電網中有較好的穩(wěn)定性和較強的電網支撐能力。