为应对能源与环境可持续发展的挑战,全球正加速推进清洁能源体系的战略布局,风电、光伏等可再生能源在电力系统的占比不断增加,导致电力系统逐渐呈现“双高”特征。目前,新能源并网逆变器的控制形式主要分为跟网型(grid-following,GFL)和构网型(grid-forming,GFM)。相较于GFL逆变器通过调控有功电流分量与无功电流分量实现功率注入的电流源型控制范式,GFM逆变器采用电压源型控制策略,直接调节公共耦合点(point of common coupling,PCC)电压矢量幅值与相位角,从而实现对系统有功-无功功率流的主动控制。在GFM控制技术谱系中,典型方案包括下垂控制、虚拟同步机控制、同步功率控制等。
下垂控制因其无须通信、实现简单、易于扩展且适合分布式架构的特点,被广泛应用于GFM并网逆变器的控制中。并网逆变器作为新能源并网系统中能量转换核心,其动态响应特性与运行控制能力,不仅关乎电力电子装备自身的稳定性,甚至影响新型电力系统的安全与电能质量水平。但传统下垂控制主要基于本地电压和频率的测量信息进行功率分配,缺乏对系统全局状态的准确感知。因此,在电压跌落或故障情况下,其动态稳定性变差,甚至出现功率振荡、功角振荡、电流过载等问题,严重时可能引发逆变器脱网或系统级连锁故障,对电力系统的安全稳定运行构成严重威胁。
采用下垂控制的GFM逆变器故障穿越问题,国内外学者已经做了大量研究。目前,在暂态稳定性分析方面,主要采用电磁暂态仿真,利用相图、有功功率-虚拟功角(P-δ)曲线和李雅普诺夫稳定性判据等进行分析。本文将P-δ曲线和相图法结合对下垂控制进行分析,通过P-δ曲线可直观体现并网逆变器在暂态过程的动态行为,相图法则基于Δω-δ曲线来补充表征功角δ的变化趋势,明确并网系统的稳定状态。此外,本文以等效电路分析故障电流,刻画其物理特征及其关键影响因素。
针对电网电压跌落情况下,GFM逆变器的故障穿越策略主要分为3种:切换控制模式、增加电流限幅环节和虚拟阻抗。切换控制模式虽然可以获得良好的故障电流控制效果,但系统在故障期间不能保持GFM结构而失去了GFM为系统提供电压和频率支撑的优势;限流环节可在故障期间直接限制电流内环的参考值以实现电流幅值精确控制,但该方法会导致电网故障时电流饱和,功角曲线幅值降低的同时相位发生偏移,引起系统功角失稳;虚拟阻抗通过增加GFM逆变器的输出阻抗来限制输出电流,有良好的实用性,但虚拟阻抗值计算复杂。
目前,基于下垂控制的故障穿越策略在探索简化多目标控制问题方面仍存在挑战,现有控制方案在提升特定性能的同时,可能对系统的整体稳定运行带来潜在影响。