構(gòu)網(wǎng)型逆變器技術(shù)綜述

趙炳洋，趙波，張芳，陳杰

(1.北京信息科技大學 自動化學院，北京 100192；2.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192)

0 引言

2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和是我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展的戰(zhàn)略目標。為了實現(xiàn)“雙碳”目標，我國正在大規(guī)模發(fā)展新能源，加快新型電網(wǎng)建設(shè)[1]。目前新型電力系統(tǒng)呈現(xiàn)的高比例可再生能源、高比例電力電子設(shè)備特征，導致電網(wǎng)缺乏慣性支撐使得新型電力系統(tǒng)的電壓與頻率穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)[2]。構(gòu)網(wǎng)型控制技術(shù)可以為大電網(wǎng)提供全過程的電壓源支撐，可解決電力系統(tǒng)電壓與頻率的穩(wěn)定性問題，實現(xiàn)對電網(wǎng)的主動感知、主動響應(yīng)和主動支撐，提高本地新能源消納能力和局域電網(wǎng)供電質(zhì)量。

逆變器控制技術(shù)多種多樣，構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)也處于發(fā)展階段，為了對構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)作系統(tǒng)化的梳理，本文首先對比分析了跟網(wǎng)型與構(gòu)網(wǎng)型控制技術(shù)的區(qū)別，給出典型構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)的結(jié)構(gòu)與特點，然后針對構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)的穩(wěn)定性與優(yōu)化方向進行分析，最后對構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)的發(fā)展進行了展望。

1 并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)對比

根據(jù)逆變器與其所并入電網(wǎng)之間的關(guān)系可以將逆變器的控制技術(shù)分為跟網(wǎng)型(grid-following)與構(gòu)網(wǎng)型(grid-forming)兩種[3]，兩種逆變器的控制技術(shù)對應(yīng)的控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 兩種逆變器控制結(jié)構(gòu)示意

圖1中，Udc為直流側(cè)電壓，Lf與Cf為逆變器交流測濾波電感與濾波電容，Lg為電網(wǎng)等效電感，Ug為電網(wǎng)電壓。兩種系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)相同，均通過電力電子器件將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能。兩者的不同主要體現(xiàn)在控制策略。

從控制策略實現(xiàn)目標的角度來看：跟網(wǎng)型控制策略的主要目標是向電網(wǎng)饋入功率，支撐電網(wǎng)是次要目標。而構(gòu)網(wǎng)型控制策略則可以實現(xiàn)對電網(wǎng)的支撐，且面對“雙高”電力系統(tǒng)，構(gòu)網(wǎng)控制策略的作用逐漸凸顯。

從控制變量的角度來看：跟網(wǎng)型逆變器的控制變量為電流I，是一種引入鎖相環(huán)以電網(wǎng)電壓相角δ為參考的電流閉環(huán)控制，并網(wǎng)時等效為受控電流源，因此也被稱為電流控制型逆變器(current-controlled inverter)[4]。當電網(wǎng)呈現(xiàn)弱電網(wǎng)強度時，由于鎖相環(huán)的引入，使得跟網(wǎng)型逆變器系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，存在諧波振蕩問題也會惡化系統(tǒng)穩(wěn)定性。構(gòu)網(wǎng)型逆變器的控制變量為電壓的相角θ與幅值U，不需要鎖相環(huán)的介入，便可以生成控制策略的參考相角，因此穩(wěn)定性要優(yōu)于跟網(wǎng)型逆變器[5]。

2 典型構(gòu)網(wǎng)型控制技術(shù)

目前典型的構(gòu)網(wǎng)型控制技術(shù)有下垂控制(droop-control)、虛擬同步發(fā)電機(virtual synchronous generator，VSG)、虛擬振蕩器控制(virtual oscillator control，VOC)。主流的逆變器控制策略分類如圖2所示，本節(jié)將對不同構(gòu)網(wǎng)控制策略的控制結(jié)構(gòu)進行分析，并對比各構(gòu)網(wǎng)控制策略的特點。

圖2 逆變器控制技術(shù)分類

2.1 下垂控制

傳統(tǒng)下垂控制控制方程如式(1)所示?？刂品匠棠M了電力系統(tǒng)中功率傳輸性，也即有功功率與頻率之間存在線性關(guān)系，無功功率與電壓之間存在線性關(guān)系。

(1)

式中：Pref為逆變器輸出有功功率參考值；P為逆變器實際輸出有功功率；ωref為逆變器輸出角頻率參考值；ω為下垂控制逆變器實際輸出角頻率；θ為下垂控制逆變器輸出的相角，可由實際輸出角頻率積分獲得；Kp為有功下垂系數(shù)；Qref為逆變器輸出無功功率參考值；Q為逆變器實際輸出無功功率；Uref為逆變器輸出電壓幅值參考值；U為下垂控制逆變器輸出電壓幅值；Kq為無功下垂系數(shù)。

通過采集逆變器輸出的電壓電流，計算得到逆變器輸出的有功P與無功Q，將P與Q作為下垂控制環(huán)節(jié)的輸入量，通過下垂特性得到θ與U，利用θ與U合成為后續(xù)電壓電流雙閉環(huán)控制中電壓外環(huán)的參考電壓。下垂控制對應(yīng)的控制框圖如圖3所示。

圖3 下垂控制策略框圖

文獻[6-7]給出了微電網(wǎng)情況下采用上述傳統(tǒng)下垂控制策略的逆變器各控制環(huán)的詳細控制方程與控制框圖，并基于所給出的控制方程詳細推導了傳統(tǒng)下垂控制策略的小信號模型，由小信號模型對系統(tǒng)的參數(shù)選擇與穩(wěn)定性進行了詳細的分析，通過仿真獲得了系統(tǒng)的功率分配情況。但上述文獻并未對采用傳統(tǒng)下垂控制策略的逆變器在面對負載波動與電網(wǎng)頻率發(fā)生擾動時功率的暫、穩(wěn)態(tài)特性進行分析。發(fā)生擾動時，采用傳統(tǒng)下垂控制策略的逆變器就會存在缺陷。當系統(tǒng)發(fā)生擾動時，采用傳統(tǒng)下垂控制的逆變器就會面臨自身頻率變化過快、波動較大等問題，這些問題會惡化電能質(zhì)量，危害系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

因此有學者通過在傳統(tǒng)下垂控制的功率環(huán)中追加一階慣性環(huán)節(jié)等方法為下垂控制帶來慣性，此種控制策略可稱為慣性下垂控制策略。

文獻[8]在傳統(tǒng)下垂控制的有功環(huán)節(jié)的前向通路上，增加了一階慣性環(huán)節(jié)，當系統(tǒng)發(fā)生擾動時，該控制策略使得逆變器在進行自身頻率調(diào)節(jié)時，存在過渡時間而不是突變。但該文獻并未詳細分析一階慣性環(huán)節(jié)中參數(shù)的影響，如果參數(shù)調(diào)節(jié)不當可能會增大系統(tǒng)面對擾動時的調(diào)節(jié)時間，減緩系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

文獻[9]在傳統(tǒng)下垂控制的無功環(huán)中引入了微分負反饋，使得系統(tǒng)面對無功擾動時，電壓不會突變，存在過渡時間。該控制策略給系統(tǒng)的無功環(huán)帶來慣性，改善了系統(tǒng)的電壓、無功調(diào)節(jié)特性。然而該文獻進行仿真分析時，工況單一，只分析了單機并網(wǎng)的情況，因此存在無法適用于多機并聯(lián)工況的隱患。

2.2 虛擬同步發(fā)電機

近年來，電力系統(tǒng)的頻率安全事故頻頻發(fā)生，這與電力系統(tǒng)的低慣性密切相關(guān)[10]。傳統(tǒng)火力發(fā)電采用同步發(fā)電機完成機械能到交流電能的能量轉(zhuǎn)換，同步發(fā)電機的慣性，為電力系統(tǒng)提供調(diào)頻服務(wù)。而虛擬同步發(fā)電機模擬了同步發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子功能，實現(xiàn)了直流電能向交流電能的轉(zhuǎn)換，同時也為電力系統(tǒng)提供了慣量支撐，為一次調(diào)頻爭取時間，改善了系統(tǒng)在面對擾動時的頻率穩(wěn)定性。

虛擬同步發(fā)電機技術(shù)發(fā)展至今有著多種實現(xiàn)方案，如比利時魯汶大學的VSYNC(virtual synchronous control)，德國克勞斯塔爾工業(yè)大學的VISMA(virtual synchronous machine)，加拿大多倫多大學的虛擬慣性頻率控制，鐘慶昌教授的同步逆變器(Synchronverter)方案等[11]。按被控變量的不同，如圖2所示，可將不同虛擬同步發(fā)電機實現(xiàn)方案分為電流控制型、電壓控制型。相較于電流控制型VSG，電壓控制型具備適用于弱電網(wǎng)工作環(huán)境、可實現(xiàn)微電網(wǎng)孤島運行、具有電網(wǎng)支撐能力等優(yōu)點，更加適合目前新能源發(fā)電。因此目前主流的VSG為電壓控制型VSG。

VSG有功環(huán)路控制方程如式(2)所示。

(2)

式中：Pm為虛擬轉(zhuǎn)子發(fā)出的機械功率；Pref為參考有功功率；Pe為電磁功率；Kω為下垂系數(shù)；ω為虛擬同步機輸出的角頻率；ωref為參考角頻率；θ為虛擬同步機輸出的相角。

VSG無功環(huán)路控制可采用與下垂控制相似的形式。有功控制環(huán)路輸出相角θ，無功控制環(huán)路輸出電壓幅值U。θ與U合成為后續(xù)電壓電流雙閉環(huán)控制中電壓外環(huán)的參考電壓，如圖4所示。

圖4 VSG控制策略框圖

結(jié)合下垂控制與VSG的控制方程與控制框圖可知，這兩種控制技術(shù)存在相似性。VSG控制可以認為是增加了慣性和阻尼項的廣義下垂控制，下垂控制可以認為是不考慮慣性和阻尼的廣義VSG控制。

文獻[12]基于采用同步逆變器方案的并網(wǎng)逆變器模型，利用小信號分析法給出了VSG的功率環(huán)閉環(huán)控制框圖，采用零極點分布圖論證了VSG有功環(huán)與無功環(huán)之間的耦合效應(yīng)可以忽略。由忽略耦合后的控制框圖，設(shè)計了VSG的阻尼與慣性參數(shù)，對其參數(shù)選擇有著指導意義。

阻尼與慣性也使虛擬同步發(fā)電機與下垂控制呈現(xiàn)不同的輸出特性。文獻[13]詳細分析了不同工況、控制參數(shù)下VSG與下垂控制的動態(tài)特性。雖然VSG引入的阻尼與慣性可以阻止擾動時系統(tǒng)頻率的快速下跌，但這也使得系統(tǒng)面臨新的問題，系統(tǒng)面對擾動時動態(tài)特性發(fā)生振蕩，會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。VSG與下垂控制之間輸出特性差異的本質(zhì)是因為二者輸出功率與擾動信號之間的傳遞函數(shù)不同。VSG輸出功率面對頻率擾動時呈現(xiàn)二階傳遞函數(shù)的性質(zhì)，而下垂控制則為一階傳遞函數(shù)[13]。

2.3 虛擬振蕩器控制

目前應(yīng)用較多的構(gòu)網(wǎng)型逆變器策略為下垂控制、VSG控制。除上述控制策略外，還存在VOC策略，也被稱為虛擬振蕩器控制。在下垂控制和VSG控制策略中電壓電流雙閉環(huán)的參考電壓是由外環(huán)功率控制器依照功率采樣的結(jié)果計算得到，而VOC策略的參考電壓則是由虛擬振蕩器給出。振蕩器是實際存在的諧振電路，虛擬振蕩器則是通過微分方程建立振蕩器模型并離散化后利用編程得到的虛擬電路。采用VOC策略的并聯(lián)逆變器不需要逆變器之間的通信即可實現(xiàn)同步，具有自同步性[14]。而并聯(lián)系統(tǒng)輸出的電壓幅值與相角不同步會造成環(huán)流，VOC控制可減小并聯(lián)系統(tǒng)內(nèi)部的環(huán)流[15-16]。

虛擬振蕩器包含一個LC振蕩回路、一個受控電流源與受控電阻相結(jié)合的模塊SRM(source-resistance model)，以及一個電流控制型電流源。虛擬振蕩器控制策略的控制框圖如圖5所示[16]。

圖5 VOC控制策略框圖

虛擬振蕩器存在不同種實現(xiàn)方法。范德波爾振蕩器(Van der Pol oscillator)主要應(yīng)用于孤島情況，該控制策略不需要進行功率計算，因此其動態(tài)響應(yīng)速度要優(yōu)于下垂控制與虛擬同步發(fā)動機。文獻[17]給出了范德波爾振蕩器的設(shè)計流程和控制參數(shù)的設(shè)計方法。雖然采用范德波爾振蕩器的同步性與動態(tài)性能要優(yōu)于下垂控制，但因為采用控制策略的并網(wǎng)逆變器輸出電壓存在較大的三次諧波分量，該種控制策略只適用于孤島情況[18]。

為了適用于并網(wǎng)工況，部分學者將該控制策略與其他并網(wǎng)控制策略進行融合，從而實現(xiàn)孤島與并網(wǎng)不同工況的運行。文獻[19]將范德波爾振蕩器與PQ控制策略進行融合，達到了微電網(wǎng)的并離網(wǎng)運行，使得微電網(wǎng)擁有更好的并離網(wǎng)性能。范德波爾振蕩器還存在著其他問題，如無法對輸出功率進行控制、無法單獨并網(wǎng)。由此便改進出新的VOC策略——可調(diào)度型虛擬振蕩器控制(dispatchable VOC，dVOC)。文獻[20]在多機并聯(lián)并網(wǎng)工況中采用dVOC策略實現(xiàn)多逆變器的輸出功率調(diào)度也即對輸出功率進行控制。除上述策略之外，還有如文獻[21]采用的unified virtual oscillator control(UVOC)，此種控制策略是對dVOC的改進，可使逆變器具有快速故障穿越能力，增強了并網(wǎng)逆變器的適應(yīng)能力。

由前文所述，將各構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)的特點總結(jié)如表1所示。各構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)特點的不同，導致各自的工況適應(yīng)性也不同。下垂控制雖然可以工作在并網(wǎng)與離網(wǎng)工況，但面對功率或頻率波動時，下垂控制由于缺少阻尼與慣性支撐，導致其調(diào)節(jié)過程較快，容易引發(fā)頻率安全事故。而VSG面對擾動時的動態(tài)調(diào)節(jié)過程存在阻尼與慣性支撐，減少了頻率安全隱患，因此相較于下垂控制，更適合工作在并網(wǎng)與離網(wǎng)工況。VOC技術(shù)的優(yōu)點體現(xiàn)在具有自同步性，并聯(lián)運行均流效果好、響應(yīng)速度快，相較于上述兩種構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)，VOC技術(shù)更適合工作在多機并聯(lián)工況。但VOC并網(wǎng)諧波較大，因此不適合工作在并網(wǎng)工況。

表1 構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)特點總結(jié)

3 構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)穩(wěn)定性分析

相較于傳統(tǒng)火力發(fā)電使用的同步發(fā)電機，新能源發(fā)電采用的構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)的慣性、阻尼較小，更容易使發(fā)電系統(tǒng)受到干擾而產(chǎn)生穩(wěn)定性問題。因此國內(nèi)外學者展開了對構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)的穩(wěn)定性的研究，研究方法與建模方法如圖6所示。構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)穩(wěn)定性問題的研究可以分為小信號穩(wěn)定性分析和面對大擾動的暫態(tài)穩(wěn)定性分析[22]。

圖6 構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)穩(wěn)定性研究

3.1 小信號穩(wěn)定性分析

3.1.1 狀態(tài)空間法

目前對于構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)的小信號穩(wěn)定性分析主要采用兩種方法。狀態(tài)空間法是一種時域分析方法。構(gòu)網(wǎng)型逆變器的控制策略常常包含多控制環(huán)路，環(huán)路中存在著各種非線性環(huán)節(jié)，因此需要利用小信號分析方法對控制系統(tǒng)線性化。再利用狀態(tài)空間法得到構(gòu)網(wǎng)型逆變器的狀態(tài)矩陣，求出狀態(tài)矩陣的特征根，由特征根的分布情況對系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析。因此該方法也被稱為特征根分析法。特征根位于右半平面時，系統(tǒng)無法穩(wěn)定。特征根位于虛軸時，系統(tǒng)輸出呈現(xiàn)等幅振蕩。特征根位于左半平面時，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

文獻[23-25]建模時考慮了下垂控制的功率下垂環(huán)節(jié)、功率計算環(huán)節(jié)與線路阻抗，采用狀態(tài)空間分析法判斷了采用下垂控制的構(gòu)網(wǎng)型逆變器的穩(wěn)定性，指出控制參數(shù)與線路參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。但由于建模時并未考慮內(nèi)環(huán)控制器，因此穩(wěn)定性分析結(jié)果可能與實際情況存在偏差。文獻[26]在建模時考慮了控制環(huán)路的電壓、電流內(nèi)環(huán)的全階小信號模型，并利用狀態(tài)空間法對采用下垂控制策略的構(gòu)網(wǎng)逆變器進行了穩(wěn)定性分析，為全階模型的建立提供參考。文獻[27]針對采用VSG控制策略的并網(wǎng)逆變器，分析了全階模型與降階模型的區(qū)別。全階模型與降階模型的效果基本相同，但在弱電網(wǎng)情況下采用降價模型可能會導致錯誤的判穩(wěn)結(jié)果。

狀態(tài)空間法理論成熟，可應(yīng)用于單機、多機工況下的穩(wěn)定性分析。但在獲取系統(tǒng)狀態(tài)空間模型時，隨著構(gòu)網(wǎng)型逆變器系統(tǒng)越來越復(fù)雜，所得的狀態(tài)空間模型維度也會增加，計算過程會變得十分復(fù)雜，且高維模型缺乏明確的物理解釋。因此，目前有學者采用阻抗分析法對構(gòu)網(wǎng)型逆變器的控制策略穩(wěn)定性進行研究。

3.1.2 阻抗分析法

阻抗分析法是一種頻域分析方法。該方法最早應(yīng)用于兩個級聯(lián)的直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。對于交流系統(tǒng)，采用諾頓或戴維南等效方法，將構(gòu)網(wǎng)型逆變器等效為交流電源與構(gòu)網(wǎng)逆變器等效輸出阻抗相連的拓撲結(jié)構(gòu)，將電網(wǎng)等效為交流電源等效和電網(wǎng)等效輸出阻抗相連的拓撲結(jié)構(gòu)[28]，由此將并網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)型逆變器等效為了如圖7所示的級聯(lián)系統(tǒng)。構(gòu)網(wǎng)型逆變器系統(tǒng)的穩(wěn)定性可對等效后級聯(lián)系統(tǒng)應(yīng)用奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)進行分析。

圖7 構(gòu)網(wǎng)逆變器級聯(lián)系統(tǒng)等效框圖

圖7中，Zinv(s)為構(gòu)網(wǎng)逆變器等效輸出阻抗，控制策略不同的逆變器等效輸出阻抗不同。Zg(s)為電網(wǎng)等效阻抗。對節(jié)點a與回路①分別列寫節(jié)點電流與回路電壓方程，整理后可得并網(wǎng)電流表達式，如式(3)所示。

(3)

文獻[30]分別建立dq0坐標系下的電流控制型、電壓控制型的等效輸出阻抗模型，基于所建立的等效輸出阻抗模型應(yīng)用了阻抗分析法，對比分析了電流控制型與電壓控制型逆變器的穩(wěn)定性。電壓型控制逆變器的弱電網(wǎng)穩(wěn)定性要優(yōu)于電流型控制逆變器。

文獻[31]建立了dq0坐標系下的虛擬同步機的等效輸出阻抗模型，采用阻抗分析法對VSG的穩(wěn)定性進分析，研究了不同電網(wǎng)強度對VSG的穩(wěn)定性影響。但該文并未考慮坐標系之間的耦合。

dq0坐標系之間存在的耦合會導致系統(tǒng)存在4個維度的等效輸出阻抗Zdd，Zdq，Zqd，Zqq，這為等效輸出阻抗的計算與實際測量帶來了不便，因此使得所建立的等效輸出阻抗模型無法進行準確性驗證。相較于dq0坐標系的阻抗模型，序阻抗模型具有明確的物理意義，且可以進行實際的測量來衡量阻抗模型的正確性，故有學者展開了基于序阻抗模型的構(gòu)網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性分析。

基于序阻抗的阻抗建模也被稱為諧波線性化阻抗建模。該方法通過在系統(tǒng)中某個電位注入電壓諧波擾動，獲取系統(tǒng)的響應(yīng)電流，將二者相比得到系統(tǒng)的等效輸出阻抗。該方法建立的阻抗模型物理意義明確，方便使用阻抗測量設(shè)備進行測量驗證或進行仿真掃頻法驗證。

文獻[32-33]采用此方法對采用VSG控制策略的逆變器進行了穩(wěn)定性分析，并采用掃頻法驗證了所建立的序阻抗模型的正確性。該方法建立的阻抗模型準確度高，且計算量較少，適合實際應(yīng)用。文獻[34]采用此方法對比分析了VSG與傳統(tǒng)跟網(wǎng)型控制策略的穩(wěn)定性。在弱電網(wǎng)情況下，傳統(tǒng)跟網(wǎng)型控制策略的等效輸出阻抗為容性，容易與等效輸出阻抗為感性的弱電網(wǎng)發(fā)生振蕩。而VSG的等效輸出阻抗呈現(xiàn)感性，不易與弱電網(wǎng)發(fā)生諧振，因此更適應(yīng)弱電網(wǎng)情況。

上述的阻抗分析法可以應(yīng)用于單機、多機工況下的穩(wěn)定性分析，且多機穩(wěn)定性分析還可以對某系統(tǒng)中某一部分的穩(wěn)定性進行單獨分析，具有應(yīng)用靈活的特點。

3.2 暫態(tài)穩(wěn)定性分析

3.1節(jié)中提到的構(gòu)網(wǎng)控制策略的穩(wěn)定性分析是建立在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點上的小信號擾動穩(wěn)定性分析。而本節(jié)對于構(gòu)網(wǎng)逆變器的暫態(tài)穩(wěn)定性分析，則對應(yīng)系統(tǒng)面對大擾動如大負荷擾動或故障等情況。系統(tǒng)大擾動穩(wěn)定性分析的有效性要大于小信號穩(wěn)定性分析。針對于構(gòu)網(wǎng)型逆變器的暫態(tài)穩(wěn)定性分析的文獻較少，但仍存在著一些主流的分析方法，如李雅普諾夫函數(shù)法、時域仿真法等。

3.2.1 李雅普諾夫函數(shù)法/能量函數(shù)法

能量函數(shù)法首先要構(gòu)造系統(tǒng)的李雅普諾夫函數(shù)(能量函數(shù))，該函數(shù)是一個包含系統(tǒng)參數(shù)的二元函數(shù)V(x1,x2)，如式4所示，式中參數(shù)的詳細意義可參考文獻[35]。該方法本質(zhì)是采用李雅普諾夫定理進行判穩(wěn)，因此也被稱為李雅普諾夫函數(shù)法。由二元函數(shù)可得到系統(tǒng)的穩(wěn)定域，當函數(shù)值小于邊界值時，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。該方法不僅可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可以研究系統(tǒng)參數(shù)對穩(wěn)定域的約束，有利于設(shè)計系統(tǒng)參數(shù)。

(4)

文獻[35]在考慮直流側(cè)、構(gòu)網(wǎng)逆變器以及交流側(cè)的前提下構(gòu)建了李雅普諾夫函數(shù)。由構(gòu)造的函數(shù)得到了系統(tǒng)的穩(wěn)定域，清晰地分析了系統(tǒng)大擾動情況下的穩(wěn)定性，但并未對系統(tǒng)參數(shù)的影響性進行分析。文獻[36]詳細給出了采用VSG控制的構(gòu)網(wǎng)型逆變器的李雅普諾夫函數(shù)、邊界值表達式、判穩(wěn)步驟，以及參數(shù)對系統(tǒng)的穩(wěn)定域影響，對推廣此方法的應(yīng)用有著一定的指導意義。文獻[37]構(gòu)造了構(gòu)網(wǎng)型逆變器與跟網(wǎng)型逆變器的能量函數(shù)，對比分析了兩者的大信號穩(wěn)定性，并結(jié)合硬件在環(huán)仿真實驗詳細分析了構(gòu)網(wǎng)型逆變器在不同程度電網(wǎng)故障時的失穩(wěn)機理。

3.2.2 時域仿真法

時域仿真法是一種基于仿真工具的研究方法。目前主流的電力系統(tǒng)仿真工具有PSCAD、Matlab/Simulink、PSASP以及DIgSILENT等。利用仿真工具可以得到由構(gòu)網(wǎng)逆變器構(gòu)成的電力系統(tǒng)在面對大擾動時的輸出響應(yīng)，從而達到分析構(gòu)網(wǎng)逆變器暫態(tài)穩(wěn)定性的目的。

文獻[38]提出了一種面對大擾動時的新能源場站機電暫態(tài)模型。采用相關(guān)的電力系統(tǒng)仿真軟件對風電場、光伏電站等新能源場站面對大擾動時的輸出特性進行分析，驗證了機電暫態(tài)模型的正確性。文獻[39]采用仿真軟件DIgSILENT對4臺火力發(fā)電機與2臺含虛擬慣性的風機構(gòu)成的電力系統(tǒng)進行仿真。含虛擬慣性電力系統(tǒng)在面對大擾動時具有更好的穩(wěn)定性。

時域仿真法得到的穩(wěn)定性分析結(jié)果準確性、有效性高，還可以用來驗證大擾動穩(wěn)定性分析所得的結(jié)論。但該種方法對所建立的時域仿真模型的準確性也有要求，若模型建立不準確則可能會得到錯誤的穩(wěn)定性分析結(jié)論。且隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性增強，時域仿真耗時也會增長。

4 構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)優(yōu)化

對構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)的優(yōu)化也是目前構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)的主要研究方向之一。相關(guān)研究人員對構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)的優(yōu)化主要體現(xiàn)在以下兩方面：①構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)輸出特性的動態(tài)調(diào)節(jié)過程優(yōu)化；②構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)的工況適應(yīng)性優(yōu)化。

4.1 動態(tài)調(diào)節(jié)過程優(yōu)化

構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)輸出特性的動態(tài)調(diào)節(jié)過程仍需要進行優(yōu)化。如傳統(tǒng)的下垂控制無法為系統(tǒng)提供慣性與阻尼，導致其面對擾動時頻率下降過快，而虛擬同步發(fā)電機動態(tài)過程也存在超調(diào)、振蕩等問題[40]。為解決此類問題，已有學者展開對構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)動態(tài)輸出特性優(yōu)化的研究。

文獻[40]給出了傳統(tǒng)下垂控制與虛擬同步機的小信號模型，基于建立的模型給出了兩種控制方式對應(yīng)的傳遞函數(shù)，由傳遞函數(shù)指出了下垂控制動態(tài)輸出過程中缺乏阻尼與慣性，面對擾動時頻率下降過快的問題，還指出了VSG動態(tài)過程存在的超調(diào)、振蕩的問題。從傳遞函數(shù)的角度出發(fā)，對前向通道與反饋通道的控制器進行重新設(shè)計，使得系統(tǒng)等效為一種可以提供阻尼與慣性的廣義下垂控制，有效解決了下垂控制與VSG動態(tài)過程的缺陷。由文獻[40]可知通過建立控制策略的小信號傳遞函數(shù)，由傳遞函數(shù)角度出發(fā)對控制策略的傳遞函數(shù)進行重新設(shè)計是一種根本、有效的優(yōu)化方法。文獻[41-43]便是在控制環(huán)路增添了前饋與反饋環(huán)節(jié)，改善了VSG動態(tài)調(diào)節(jié)過程中的振蕩、超調(diào)現(xiàn)象。

有的學者還采取自適應(yīng)控制參數(shù)的方法來解決VSG的超調(diào)、振蕩問題。文獻[44]指出轉(zhuǎn)動慣量可以減小VSG的超調(diào)，但會使得頻率恢復(fù)過慢。由此提出了一種改進的自適應(yīng)控制策略，當系統(tǒng)超調(diào)現(xiàn)象發(fā)生時增大系統(tǒng)的慣性，當系統(tǒng)處于頻率恢復(fù)過程則減小系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，達到了減小超調(diào)和加快頻率恢復(fù)的作用。

但自適應(yīng)控制參數(shù)的優(yōu)化方法也比較復(fù)雜。且在動態(tài)調(diào)節(jié)過程前，是否能有效準確地觸發(fā)自適應(yīng)控制策略也是需要考慮的問題。因此對構(gòu)網(wǎng)控制策略的傳遞函數(shù)重新設(shè)計、從根本上解決構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)動態(tài)過程存在的問題是一種更為簡潔、有效的方法。

4.2 工況適應(yīng)性優(yōu)化

在實際應(yīng)用時，構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)要適應(yīng)不同工況，如并網(wǎng)工況和多機并聯(lián)工況，這對構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)的工況適應(yīng)性也提出了更高的要求。

4.2.1 預(yù)同步與低電壓穿越

目前對于構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)并網(wǎng)工況優(yōu)化主要考慮預(yù)同步問題和低電壓穿越問題。

采用構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)的逆變器在離網(wǎng)時可以獨立運行。為了使逆變器安全并網(wǎng)，要在并網(wǎng)時考慮預(yù)同步問題，使得逆變器輸出電壓的幅值、相位與電網(wǎng)相同，來避免并網(wǎng)產(chǎn)生過大的沖擊電流。文獻[45]采用鎖相環(huán)來同步逆變器與電網(wǎng)輸出電壓的相位，并搭建了實物平臺驗證了采用鎖相環(huán)進行預(yù)同步的有效性。但文章并未對鎖相環(huán)給系統(tǒng)帶來的穩(wěn)定性問題進行分析，而鎖相環(huán)的引入會惡化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且當電網(wǎng)強度較弱時，鎖相環(huán)可能無法正確獲取電網(wǎng)輸出電壓的信息從而導致預(yù)同步失敗。構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)可自動生成參考相位，因此有學者從此角度出發(fā)，設(shè)計了不采用鎖相環(huán)進行預(yù)同步的控制策略。文獻[46-48]在原有VSG的相位生成環(huán)節(jié)中添加了相位補償環(huán)節(jié)，通過補償VSG與電網(wǎng)之間的相位差來實現(xiàn)VSG輸出電壓與電網(wǎng)電壓的誤差跟蹤，從而實現(xiàn)預(yù)同步。此種預(yù)同步方法無須額外引入鎖相環(huán)獲得逆變器輸出電壓的信息，減小了系統(tǒng)的復(fù)雜性，無需考慮鎖相環(huán)的精度，提高了預(yù)同步成功率。

實際電網(wǎng)運行中還會面臨電網(wǎng)電壓跌落的問題，因此成功并網(wǎng)后要對相應(yīng)的低電壓穿越控制策略進行設(shè)計，確保并網(wǎng)后的逆變器具備低電壓穿越的能力。文獻[49]設(shè)計了一種低電壓穿越控制的平滑切換方案。系統(tǒng)正常工作時采用平衡電流控制策略來抑制輸出電流的負序分量，當發(fā)生電壓跌落時該方案采用傳統(tǒng)的低電壓穿越控制策略限制輸出電流幅值，低電壓穿越完成后平滑切換到平衡電流控制策略。該方案可使構(gòu)網(wǎng)逆變器面對Ⅰ型與Ⅱ型故障時具有良好的低電壓穿越特性。文獻[50]則對VSG的功率控制環(huán)進行改進，當電壓跌落時，調(diào)節(jié)有功與無功指令可使系統(tǒng)滿足低電壓穿越要求。電壓跌落的深度會影響功率指令的大小。在實際應(yīng)用中，電壓跌落過程較快，若手動調(diào)節(jié)功率指令，會面臨無法根據(jù)電壓跌落深度的大小立即判斷功率指令大小的問題，因此該方法的可行性需要進一步驗證。針對此問題，文獻[51]把不同電壓跌落深度情況進行分類，對不同的電壓跌落深度采取不同的控制方法，使構(gòu)網(wǎng)逆變器具備良好的低電壓穿越能力。

4.2.2 多機并聯(lián)環(huán)流抑制

多機并聯(lián)可以增加系統(tǒng)的容量、冗余性、靈活性，而環(huán)流問題是構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)應(yīng)用于多機并聯(lián)工況必須要解決的問題，環(huán)流過大會增加系統(tǒng)損耗，危害系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

文獻[52]將環(huán)流定義為兩臺逆變器輸出電流的差值，并給出環(huán)流表達式，指出環(huán)流與并聯(lián)逆變器輸出的電壓與控制參數(shù)有關(guān)。由于并聯(lián)逆變器的容量與電路參數(shù)不可能完全一致，因此會不可避免地產(chǎn)生環(huán)流。在文獻[52]的基礎(chǔ)上，文獻[53]給出了環(huán)流表達式，如式5所示，并進一步指出環(huán)流的大小、流向與逆變器之間輸出電壓的幅值、相角差有關(guān)。

(5)

式中：U為逆變器輸出電壓幅值；δ為逆變器輸出電壓的相位；Z為逆變器等效輸出阻抗。由式(5)可知，可以通過改變逆變器等效輸出阻抗Z來抑制環(huán)流。文獻[54-55]采用虛擬阻抗技術(shù)改變了構(gòu)網(wǎng)逆變器的等效阻抗，優(yōu)化了構(gòu)網(wǎng)逆變器多機并聯(lián)時的功率分配，減小了并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流，并給出了虛擬阻抗的表達式，且在無功環(huán)路增加了電壓補償環(huán)節(jié)來解決虛擬阻抗帶來的壓降問題。但固定參數(shù)的虛擬阻抗在實際應(yīng)用時需要考慮線路阻抗的大小，而線路阻抗往往不方便測量，具有不確定性。為解決此問題有學者提出了一種自適應(yīng)虛擬阻抗的控制方法。文獻[56]在原本固定參數(shù)的虛擬阻抗基礎(chǔ)上增加由逆變器輸出功率決定的虛擬阻抗補償項，該控制策略可以根據(jù)逆變器輸出功率的大小自適應(yīng)的調(diào)節(jié)虛擬阻抗的大小，從而抑制系統(tǒng)環(huán)流，優(yōu)化了逆變器之間的功率分配情況。

值得注意的是，VOC控制方式具有自同步性，并聯(lián)工況的均流能力與相應(yīng)速度明顯優(yōu)于下垂控制和VSG，因此VOC以及派生出的相關(guān)控制策略如dVOC、UVOC是一類很有前途的構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)，但目前此類技術(shù)研究較少，相關(guān)文獻可以參考2.3節(jié)。

5 結(jié)論與展望

本文對并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)進行分類，分析了構(gòu)網(wǎng)控制策略的結(jié)構(gòu)與特點，總結(jié)了已有的研究內(nèi)容，有助于后續(xù)相關(guān)研究人員梳理研究思路。本文針對構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)研究的相關(guān)結(jié)論如下。

1)構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)有利于推進我國加快完成雙碳目標、加強電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高電能質(zhì)量。構(gòu)網(wǎng)逆變器更加適用于弱電網(wǎng)工況，可以為電網(wǎng)提供電壓、頻率支撐，更適用于我國呈現(xiàn)“雙高”趨勢的電力系統(tǒng)。

2)確保含構(gòu)網(wǎng)逆變器的電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行，穩(wěn)定性分析工作必不可少。目前的穩(wěn)定性分析主要針對小信號穩(wěn)定性分析。狀態(tài)空間法是一種時域分析方法，理論成熟，可應(yīng)用于單機、多機不同工況，但實際工況越來越復(fù)雜，所建立的狀態(tài)空間矩陣的維數(shù)會增大不利于模型的求解與特征根的計算。阻抗分析法作為一種頻域方法，不僅可以分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可以分析系統(tǒng)內(nèi)部之間的交互影響。dq0坐標系下的阻抗模型存在耦合且物理意義不清晰，不方便進行實際測量。而序阻抗模型物理意義明確，可采用實際設(shè)備或掃頻法測量。

3)小信號穩(wěn)定性分析需要建立在系統(tǒng)存在穩(wěn)定工作點的情況，當系統(tǒng)面對大擾動，無法建立穩(wěn)態(tài)工作點時，需要進行暫態(tài)穩(wěn)定性分析。針對此類問題，往往采用能量函數(shù)法或時域仿真法進行分析。相較于小信號穩(wěn)定性分析，構(gòu)網(wǎng)逆變器的大擾動穩(wěn)定性分析研究內(nèi)容較少，其難點在于如何建立明確有效的能量函數(shù)。

4)構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)的動態(tài)特性仍有缺點，如傳統(tǒng)下垂控制動態(tài)調(diào)節(jié)過程缺乏阻尼與慣性支撐，因此頻率穩(wěn)定性較差，VSG控制的動態(tài)調(diào)節(jié)過程存在超調(diào)與振蕩，VOC控制策略并網(wǎng)諧波較大，因此針對構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)動態(tài)特性的優(yōu)化是目前主要的研究內(nèi)容。如何使構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)滿足更多的工況，如多機并聯(lián)、并離網(wǎng)無縫切換、低電壓穿越等，也是目前主要的研究內(nèi)容。

面對新型電力系統(tǒng)的“雙高”特征，未來針對構(gòu)網(wǎng)型控制技術(shù)的研究必不可少。對構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)的發(fā)展進行如下展望。

1)相較于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，新型電力系統(tǒng)失穩(wěn)機理更加復(fù)雜。在考慮失穩(wěn)機理時不僅要考慮功角、頻率與電壓，還要考慮耦合振蕩與諧振問題。要確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行，未來需要對含有構(gòu)網(wǎng)型逆變器的新型電力系統(tǒng)的失穩(wěn)機理進行更深入的研究。

2)隨著電力系統(tǒng)的容量進一步擴大，不可避免地會引入多臺變流器并聯(lián)工況以及不同控制策略組合的工況。構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)與其他控制技術(shù)組合，能否有效運行、能否彌補互相的缺點從而為新型電力系統(tǒng)帶來更好的性能，是未來研究的重要方向。

3)新型控制算法如模型預(yù)測控制(model predictive control,MPC)、自抗擾控制(active disturbance rejection control,ADRC)、模糊控制(fuzzy control)等，能否應(yīng)用到構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)中，為構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)帶來更快的響應(yīng)速度與更高的控制精度，也是未來需要深入研究的方向。