摘 要：下垂控制逆變器接入弱電網(wǎng)時具有優(yōu)異的穩(wěn)態(tài)運行能力，能夠為電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐。然而，電網(wǎng)短路故障發(fā)生后下垂控制逆變器不僅會缺乏慣性導致頻率發(fā)生突變，還面臨著暫態(tài)失穩(wěn)風險。針對這一問題，建立了下垂控制逆變器暫態(tài)數(shù)學模型，分析了逆變器暫態(tài)響應特性，量化評估了控制參數(shù)對頻率跳變量和暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，從而為暫態(tài)控制參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。最后，基于詳細的仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)故障；下垂控制；頻率跳變；暫態(tài)穩(wěn)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(fā)電系統(tǒng)通過逆變器將電能傳輸至公共電網(wǎng)，因此逆變器的穩(wěn)定運行對電力系統(tǒng)安全具有重要意義。隨著新能源的快速發(fā)展，輸電線路的延長和變壓器數(shù)量的增加使電網(wǎng)呈現(xiàn)弱電網(wǎng)特性，電網(wǎng)和逆變器的耦合作用顯著增強，易引發(fā)逆變器失穩(wěn)[1]。近年來，下垂控制逆變器通過模擬同步發(fā)電機的下垂特性，接入弱電網(wǎng)時具有優(yōu)異的穩(wěn)態(tài)運行能力，獲得了學者們的廣泛關(guān)注。

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

當前關(guān)于下垂控制暫態(tài)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(shù)對功角和頻率的暫態(tài)運動軌跡的影響。文獻[3]構(gòu)造了下垂控制逆變器的暫態(tài)能量函數(shù)，從能量轉(zhuǎn)化的角度闡述了暫態(tài)穩(wěn)定機理。文獻[4]分析了電網(wǎng)故障期間下垂控制逆變器的暫態(tài)穩(wěn)定運行范圍，并提出一種面向暫態(tài)穩(wěn)定性提升的有功功率調(diào)節(jié)法。綜上所述，現(xiàn)有研究大多聚焦于電網(wǎng)故障持續(xù)過程中下垂控制逆變器暫態(tài)穩(wěn)定機理分析，罕有考慮電網(wǎng)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(tài)響應特性。

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

1" " 下垂控制逆變器暫態(tài)數(shù)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(wǎng)電感，VPCC、Vg和I分別表示逆變器輸出電壓、公共電網(wǎng)電壓和輸出電流。

下垂控制逆變器的有功功率控制環(huán)路和無功功率控制環(huán)路的數(shù)學方程可以表示為：

2" " 暫態(tài)響應特性分析

2.1" " 頻率跳變特性

2.2" " 暫態(tài)穩(wěn)定性

基于式（1）和（4），電網(wǎng)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(wǎng)下逆變器的穩(wěn)定平衡點和不穩(wěn)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(wǎng)故障期間逆變器的穩(wěn)定平衡點和不穩(wěn)定平衡點，δsf和δuf分別為c點和d點對應的功角。電網(wǎng)故障瞬間下垂控制逆變器的輸出頻率發(fā)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(wǎng)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?？梢杂^察到，電網(wǎng)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(xù)增加。一旦δ超出δun，下垂控制逆變器將發(fā)生暫態(tài)失穩(wěn)[6]。定義δ增加至δun對應的故障持續(xù)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(tài)穩(wěn)定運行，F(xiàn)D應小于CCT。具體地說，當電網(wǎng)故障發(fā)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(wǎng)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(wǎng)故障被清除，δ仍會持續(xù)增加，逆變器發(fā)生暫態(tài)失穩(wěn)。

綜上所述，電網(wǎng)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(tài)穩(wěn)定運行。否則，逆變器需滿足FD＜CCT，才能夠避免暫態(tài)失穩(wěn)。

3" " 仿真結(jié)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(shù)。

4" " 結(jié)束語

針對下垂控制逆變器暫態(tài)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(tài)數(shù)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(wǎng)故障程度下的暫態(tài)穩(wěn)定機理。分析結(jié)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(tài)失穩(wěn)，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(tài)同步運行能力。

[參考文獻]

[1] 耿華，何長軍，劉浴霜，等.新能源電力系統(tǒng)的暫態(tài)同步穩(wěn)定研究綜述[J].高電壓技術(shù)，2022，48（9）：3367-3383.

[2] PAN D H，WANG X F，LIU F C，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.

[3] 馬堰泓，付立軍，胡祺，等.計及暫態(tài)模式切換下垂控制逆變器故障下同步穩(wěn)定分析[J].電機與控制學報，2022，26（10）：1-11.

[4] 沈超.微電網(wǎng)暫態(tài)運行特性與同步穩(wěn)定問題研究[D].長沙：湖南大學，2021.

[5] HE X Q，PAN S S，GENG H.Transient stability of hybrid power systems dominated by different types of grid-forming devices[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2022，37（2）：868-879.

[6] 詹長江，吳恒，王雄飛，等.構(gòu)網(wǎng)型變流器穩(wěn)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(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。