跟网型并网变换器的稳定域重塑控制策略研究综述.pdf

第 18 卷第 2 期 2023 年 6 月 电 气 工 程 学 报 JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING Vol.18 No.2 Jun.2023 DOI：10.11985/2023.02.005 跟网型并网变换器的稳定域重塑控制策略 研究综述*马文杰1 张 波1 丘东元1 陈艳峰1 孙华东2(1.华南理工大学电力学院 广州 510640；2.电网安全与节能国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司)北京 100192)摘要：大力发展可再生能源是完成能源清洁化转型和实现“双碳”目标的重要途经。在此时代背景下，电力系统结构形态将发生根本性转变，从以同步机电源为主导的传统电力系统发展为由风、光新能源作为主体的新型电力系统。电力电子变换器作为新能源并网发电的接口，具有高度的灵活性与可控性，如何设计控制策略以保证并网变换器的稳定运行是电网高比例可再生能源发展进程中最受关注的重要问题之一。针对复杂电网工况下基于锁相环同步跟网型并网变换器的致稳控制方法，形成了一系列相关研究成果。在具体并网场景下，通过建立合适的跟网型并网变换器的数学模型，并结合与模型适配的稳定性分析方法明晰并网系统失稳机理，进而设计控制策略以改善并网系统稳定性，提升跟网型并网变换器对具体场景的适应性，即经改进控制策略重塑了跟网型并网变换器的稳定运行域。本文依据所采用的跟网型并网变换器模型及稳定性分析方法，将从小扰动意义下的稳定域重塑控制和暂态场景下的稳定域重塑控制两个方面，梳理与归纳迄今的工作进展，并在此基础上探讨保障高比例可再生能源电力系统安全可靠运行仍需研究的技术问题。关键词：新能源并网；跟网型变换器；锁相环同步；控制策略；高比例可再生能源电力系统 中图分类号：TM76 Control Strategy to Reshape the Stable Region for Grid-following Converter:An Overview MA Wenjie1 ZHANG Bo1 QIU Dongyuan1 CHEN Yanfeng1 SUN Huadong2(1.School of Electric Power Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640;2.State Key Laboratory of Power Grid Safety and Energy Conservation(China Electric Power Research Institute),Beijing 100192)Abstract：Developing renewable energy is an important way to implement the green-oriented transition of energy and achieve the goals of carbon peaking and carbon neutrality.Under such circumstance,the power system configuration will undergo a fundamental transformation,from the traditional power system dominated by synchronous generators to a new one that is dominated by wind and solar sources.As the interface between the power grid and the renewable energy,power electronic converters have high flexibility and controllability.Designing control strategies to ensure the stable operation of grid-connected converters is one of the most important issues in the development of a power system with high penetration of renewable energy.For the grid-following converter(GFC),which synchronizes with the grid via the phase-locked loop,many control strategies have been proposed for ensuring its stable operation under complex grid conditions.For a specific scenario,a mathematical model of the GFC is established.By combining suitable stability analysis methods,the instability mechanism of GFC can be clarified.Then,the stable region of the GFC can be reshaped by improved control strategies.According to the models used in the stability analysis,the proposed strategies can be *国家自然科学基金集成资助项目(U2166601)。20220526 收到初稿，20220713 收到修改稿 月 2023 年 6 月 马文杰等：跟网型并网变换器的稳定域重塑控制策略研究综述 35 divided into two categories.One is to reshape the stable region of the GFC in the sense of small-signal disturbance,the other is for reshaping the stable region under transient scenarios.An overview works is presented.Moreover,to facilitate the development of the power system with high penetration of renewable energy,some future investigations towards the stable control of GFCs are discussed.Key words：Renewable energy integration；grid-following converter；synchronization by phase-locked loop；control strategy；power system with high penetration of renewable energy 1 引言 电能作为一种清洁、实用且容易控制和转换的能源形式，是国民经济快速发展的重要支撑。为缓和社会发展进程中日益增长的能源消耗需求与能源紧缺、环境保护三方面之间的矛盾，我国持续深化电力能源清洁化转型，大力开发风电、光伏等可再生能源，推进新能源发、输、配、用的一系列相关技术1。在“碳达峰”“碳中和”愿景下，我国电力系统中新能源占比将持续攀升，预计到 2030 年，风、光可再生能源发电总装机容量达 12 亿 kW 以上；到2060 年，新能源装机总占比将达约 66%，总发电量占比逼近 57%2。这预示着高比例可再生能源并网将成为未来我国电网发展的重要趋势和基本特 征3。由于可再生能源发电系统常使用电力电子变换器作为并网接口4，随着其在电网中渗透率的升高，整个电力系统呈现电力电子化趋势5。传统的旋转式同步发电机具有高质量机械转子，因而整个能量变换系统的时间常数大，控制带宽窄，对于来自网侧的中高频扰动并不敏感6。然而，电力电子装备常包含多个动态响应时间常数不同的控制环路，如光伏并网发电系统就有直流母线电压环、网侧电流控制环和同步锁相环7，系统频带覆盖范围广，对电网中包括中、高频动态在内的宽频带扰动反应灵敏；此外，并网变换器出口处与电网之间设置有高频滤波器。电感电容元件、变换器控制系统及电网三者之间的交互作用导致严重的谐振现象8，涉及频段可达数千 Hz。近年来，含高比例可再生能源电力系统谐振不稳定事故频发，如我国青海某50 MVA 光伏电站和内蒙古东山风电场出现的 20次以上谐波放大9、沽源风电场与临近串补装置相互作用激发频率为 310 Hz 的次同步振荡10、德国Borwin1 风电柔直工程中 100 Hz1 kHz 范围的谐波谐振11、光伏电站远距接入电网受传输线分布电容影响引发谐振12等。由此可见，在同步发电机被可再生能源机组大量替代的背景下，整个电力系统的动态特性发生了深刻变化，稳定机理高度复杂化。因此，深入研究复杂电网工况下可保证并网变换器稳定运行的控制策略，对于促进电力系统高比例可再生能源发展进程至关重要。基于旋转坐标变换和锁相环(Phase locked loop，PLL)的电流闭环矢量控制方法被广泛应用于风电、光伏并网系统13-14，采用此控制方式的并网变换器常被称为跟网型并网变换器14。由于我国能源与负荷分布特点，大规模新能源场站常远距接入电网，传输线路阻抗较大；此外，随新能源渗透率升高，电网呈现“弱电网”特性15，网络等效阻抗大范围波动16。研究发现，当电网等效阻抗不可忽略时，锁相环同步跟网型并网变换器与电网之间的多时间尺度动态交互作用会导致新能源机组注入电网的电流发生谐振，严重时甚至脱网。近十几年来，针对弱电网下跟网型并网变换器的谐振不稳定问题，国内外学者开展了大量研究工作。通过对跟网型并网变换器控制系统中的锁相环、脉宽调制环节等非线性环节进行局部线性化处理，得到并网系统的小信号模型，进而形成了基于线性系统理论的稳定性分析和控制设计方 法17。对于小扰动范畴的并网稳定控制已初具系统性解决思路。另一方面，早期风、光等可再生能源在电力系统中占比较低，仅承担辅助能源的角色。当电网发生短路等故障时，由于耐受能力较弱，新能源机组为保证自身安全可选择脱网运行。然而，在高比例可再生能源电力系统中，为保证电网安全运行，防止大规模连锁故障事故发生，要求新能源机组具备较强的故障穿越能力，在故障期间保持一定的输出功率连续性，甚至为电网提供动态无功支撑18-19。因此，跟网型并网变换器在电网短路故障等大扰动下的暂态稳定运行问题正逐步引起关注20-21。由于此类问题的分析需要计及变换器控制系统的非线性，因此，小扰动稳定性分析方法将不再适用。基于数值积分的逆轨迹法、李雅普诺夫能量函数法等大信号分析方法被研究人员广泛采用22。因并网变换器控制系统具有多时间尺度耦合特性，且在应对 电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 36 电网故障时存在控制策略切换行为，整个并网系统动态特性异常复杂，针对其暂态稳定控制的研究目前尚处于初步阶段23，远未成体系。综上，风、光等新能源发电的不断发展“重塑”了整个电力系统的动态行为，引发不同于传统电力系统的稳定性问题。如何保证新能源并网变换器的稳定运行是高比例可再生能源电力系统发展进程中始终需要关注的基本问题之一。对于跟网型并网变换器而言，整个并网系统的动态特性在很大程度上由所配备的闭环控制策略决定，因而其系统特性具有高度的可定制性。为扩大具体并网场景下跟网型并网变换器的稳定运行区域，提升跟网型并网变换器对复杂电网工况的适应能力，国内外学者致力于提出各种并网稳定控制策略，取得了丰富成果。本文将此类用于扩大具体并网场景下跟网型并网变换器稳定运行区域的控制策略总结为“稳定域重塑控制”。依据控制设计与分析中所采用的跟网型并网变换器模型，本文将从小扰动意义下的稳定域重塑控制和暂态场景下的稳定域重塑控制两个方面系统性地梳理与归纳当前已取得的研究成果，并探讨未来可能的研究方向，以期为进一步的研究提供借鉴和参考。2 锁相环同步跟网型并网变换器 典型的锁相环同步跟网型并网变换器如图 1 所示24-25。图 1 锁相环同步跟网型并网变换器 图 1 中，变换器由三相半桥逆变电路、LCL 滤波器和数字控制系统组成；电网则采用其戴维南等效电路来表示，包括网络等效阻抗 Zg和理想电压源。此外，图 1 中 ix(x=a，b，c)为并网电流，icx为滤波电容电流，vdc为直流母线电压，idq和 icdq对应并网电流、滤波电容电流在 dq 同步坐标系中的分量。由此可见，跟网型并网变换器控制系统由 3 部分组成，即功率外环、电流内环和锁相环。下面将对各控制环路的内部结构进行介绍。2.1 功率外环 当采用 dq 坐标系下的电流闭环矢量控制策略时，常将并网点电压矢量定向于 d 轴，即并网点电压矢量在控制用 dq 坐标系中的 q 轴分量为零，从而通过调节并网电流的 id和 iq分量实现并网有功和无功功率的快速解耦控制。如图 2 所示，功率外环常采用直流母线电容电压反馈控制的方式来生成有功电流参考值 ird，从而实现对并网有功功率的调节。无功电流参考值 irq则根据所需输送的无功功率 Qr来产生，通常情况下，直接给定 irq=0 以实现单位功率因数并网发电。图 2 功率外环典型结构 2.2 电流内环 同步旋转坐标系中，并网电流 id和 iq表现为直流量，因此，采用 PI 控制器即可实现对参考值 ird和 irq的准确跟踪，具体控制实现如图 3 所示。图 3 电流内环典型结构 2.3 锁相环 旋转坐标系电流闭环矢量控制方法的一个核心关键在于准确获取并网点电压的相位，实现与交流电网的同步。图 4 所示单同步坐标系锁相环(SRF-PLL)是用于实现与电网同步的经典方案26，因其具有原理简单、实现方便、响应快速等优点而被广泛采用。图 4 中，vabc是变换器并网点三相电压采样值，vd和 vq对应并网点电压在 dq 坐标系中的分量，为计算所得电网电压相位。kp和 ki是 PI 控制器的比例增益和积分增益，xi代表积分器的输出。图 4 单同步坐标系锁相环 月 2023 年 6 月 马文杰等：跟网型并网变换器的稳定域重塑控制策略研究综述 37 2.4 跟网型并网变换器面临的稳定控制挑战 强电网下，即网络等效阻抗 Zg可忽略不计时，图 1 所示并网系统具有并网功率调节快速、控制稳定、鲁棒性强等优点。虽然包含多个控制环路，但是依照一定的设计规则，可使得各环路动态解耦，从而每个环路可独立进行控制参数调整，系统实现大大简化。然而，随着风、光新能源发电的大力发展，并网点网络已不再呈现无穷大电网特性，等效阻抗 Zg较大且大幅波动，即电网表现出“弱电网”特性27。弱电网条件下，跟网型并网变换器与电网之间将存在多时间尺度动态耦合效应，若仍采用基于强电网假设形成的并网控制设计方案，则整个并网系统存在失稳风险24,28-29。此外，大规模新能源发电系统常采用集群方式并网，邻近变换器会传递宽频域的干扰，严重时引发集群并网谐振事故30-31。最后，由于并网变换器自身的物理耐受性较差，电网故障情况下保持并网需要进行一系列控制策略的切换，整个并网变换器的暂态稳定问题凸显。3 小扰动意义下的稳定域重塑控制 针对跟网型并网变换器的稳态稳定运行问题，即小扰动意义下的稳定运行，通过建立并网系统在工作点附近的线性化模型，众多专家学者研究并提出了系统化的解决方案。在进行控制策略设计之前，需要先建立系统数学模型并结合与模型适配的稳定性分析方法，明晰网络阻抗变化导致系统失稳的机理。因此，本节首先介绍跟网型并网变换器控制系统小扰动稳定性分析的常用方法，并在此基础上讨论揭示弱电网条件下电网等效阻抗对并网系统小扰动稳定性的具体影响，以便清晰理解现阶段研究工作中解决稳定性问题的基本思路，同时，一定程度上为后续的稳定控制策略评述提供归类依据。3.1 系统模型及稳定性分析方法 如图 1 所示，跟网型并网变换器控制系统中含有多个动态响应时间不同的控制环路，频带覆盖范围较广，涉及高频段的电流控制以及低频段的功率控制。由于功率外环和电流内环近似动态解耦，因此，在小扰动范畴的并网稳定性研究工作中一般不考虑功率外环与电流内环之间的交互作用。聚焦于弱电网条件下的电流稳定控制，基于小信号线性化模型，形成了以特征值理论和阻抗法32-34为核心的稳定性分析理论体系。针对跟网型并网变换器控制系统，以图 1 和图3 为例，常用的分析模型如图 5 所示，其中，变换器和 PWM 模块被等效为比例增益环节 kpwm，Gpi(s)为 PI 控制器传递函数，r 为滤波电容等效串联电阻。值得指出的是，对于采用其他控制器的并网变换器，均可采用小扰动原理建立起类似的线性化数学模 型35。图 5 并网控制系统 d 轴模型 对于三相系统，其 d 轴和 q 轴的控制通道之间存在耦合24。然而，一般情况下，滤波电容 C 和网侧滤波电感 L2的值较小，耦合通道的增益小；另一方面，是否考虑耦合通道并不影响网络阻抗的影响机理分析。因此，为突出重点，本文忽略耦合通道，认为 d、q 轴近似解耦。如此，d 轴和 q 轴即具有 相同的控制系统模型，图 5 中选取 d 轴为例进行 说明。3.1.1 特征值法 根据图 5 所示线性系统模型，通过求解闭环传递函数(ird到 id的传递函数)的特征值可对并网系统进行较深入的稳定特性研究。例如，采用特征值灵敏度分析方法可得到影响系统稳定性的主导因 素36。需要说明的一点是，在特征值法的运用当中，电网和并网变换器被视为一个整体，如图 5 所示，电压输入为 ed，而非公共连接点(Point of common coupling,PCC)电压 vd。3.1.2 阻抗法 基于阻抗模型的稳定判据是另一种常用的分析方法32。在阻抗法中，以 PCC 点为分界，将并网变换器和电网划分为两个子系统。对并网变换器采用诺顿等效电路，即电流源并联阻抗；电网则采用戴维南等效电路。具体地，对应到图 5 所示模型，为建立并网变换器这一子系统模型，需要推导出 ird到id的闭环传递函数以及vd(并网点电压)到id的闭环传递函数。()()()d1rdisTs is=(1)()()()d2disTs vs=(2)根据式(1)和式(2)可得图 6 所示的电路模型，其中，Zo(s)定义为并网变换器这一子系统的等效输出阻抗，ig(s)为变换器注入电网的电流。电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 38 图 6 并网系统等效电路模型 图 6 中 ()()()1rdI sTs is=(3)()()o21ZsTs=(4)由图 6 可知 ()()()()()()dggoo11isesI sZssZsZ=+(5)假定 Zg(s)=0 时，并网变换器可以稳定运行，那么，G(s)环路小增益如下所示 ()()()goZsG sZs=(6)满足广义奈奎斯特判据时32，并网变换器可以保持稳定工作。相对于特征值法，阻抗法中阻抗模型的引入增强了分析方法的物理意义，易于理解。但是，阻抗模型仅能描述并网变换器的输入输出端口特性，无法通过其辨识影响系统动态特性的主要内部环节。接下来，结合相应稳定性分析方法，本文对用于提升跟网型并网变换器小扰动稳定性的控制策略进行分类梳理和总结。3.2 考虑 LCL 滤波器谐振效应的稳定域重塑控制 3.2.1 谐振失稳机理分析 在高频段，并网变换器与电网的交互作用主要体现在电流内环。LCL 滤波器为一三阶欠阻尼系统，其在电流控制环中引入谐振点。阻抗 Zg的波动会引起此谐振频率大范围变化，在其他控制参数固定不变的情况下，这可能导致注入电网的电流发生高频谐振37。以图 5 为例，采用特征值法对该谐振不稳定现象进行机理分析。一般来说，电网阻抗呈现阻感特性。由于电阻成分有利于系统稳定，因此，文献中通常考虑 Zg为纯感抗，即 Zg=jLg，从而可得并网系统的开环传递函数(ird到 id)()()()pio1GsGsGs=(7)其中 32gLLL=+()()()pwmpwm1321 3133pwm13CkrskG sCL L sL rL rL kkCsLLs+=+在未引入有源阻尼策略时，即图 5 中反馈系数k=0，Go(s)的频率特性随 Zg波动的变化情况如图 7所示，其中，并网变换器系统参数如表 1 所示。由图 7 可知，LCL 滤波器在谐振频率处存在谐振效应，导致并网系统的相位裕度小于 0。同时，当电网感抗增大时，并网系统的谐振频率降低，180相位穿越点下移，这一现象也对控制参数的设计提出了较高要求。图 7 电网等效阻抗波动时 Go(s)的频率特性 表 1 并网变换器系统参数 系统参数 数值 网侧滤波电感 L2/mH 0.2 滤波电容 C/F 10 变换器侧滤波电感 L1/mH 1 滤波电容等效串联电阻 r/0.3 电流 PI 控制器参数 Kp=4，Ki=1 400 从控制系统理论角度来看，可以通过在谐振频率处降低幅值增益或者补偿相位，改善并网系统的稳定性，提升并网系统对 Zg变化的适应能力。基于此，为应对 LCL 滤波器谐振效应在高频段引发的电流控制失稳问题，文献29报道了包括无源阻尼、有源阻尼、基于前向通道附加数字滤波器、基于电网阻抗在线监测以及基于模型降阶等方案。3.2.2 无源阻尼方案 为衰减滤波器与电网交互导致的谐振峰值，可在滤波电路中串、并联电阻元件，以增加系统阻 尼37-38。基本的无源阻尼方案如图 8 所示39，包括网侧电感(L2)串电阻、网侧电感并电阻、滤波电容串电阻、滤波电容并电阻四种。月 2023 年 6 月 马文杰等：跟网型并网变换器的稳定域重塑控制策略研究综述 39 图 8 四种基本的无源阻尼方案 为清晰展示各无源阻尼方法对 LCL 滤波器谐振特性的抑制效果，根据图 8 可推导得到变换器侧输出电压 ux(x=a,b,c)到并网电流 ix的传递函数Gd(s)，从而绘制出不同阻尼方式下 Gd(s)的频率特性如图 9 所示。以滤波电容串电阻为例，Gd(s)的表达式如下()()()()()()()dx32x1212d12d1C Rr sisusLCL sC LLRr sLLsGs+=+(8)分析图9可知，通过在LCL滤波器电路中接入电阻，可有效增强系统阻尼，谐振特性得到良好抑制。阻尼电阻接入位置不同、串并联接入方式不同对滤波特性产生不同影响，由图9可总结各无源阻尼方法的特点如下所述。图 9 不同阻尼方式下 Gd(s)的频率特性(1)滤波电容串联电阻会影响滤波器高频段的衰减速度，然而，当阻尼电阻与电容容抗相比较小时即可获得明显的阻尼效果，此时，阻尼电阻的引入对滤波器高频特性的影响仍较小，并且阻尼电阻的功耗也较小。(2)滤波电容并联电阻可在不影响滤波器低频、高频特性的同时衰减谐振峰值，然而，谐振的有效阻尼要求电阻取值较小。由于电阻与电容相并联，其承受的端电压接近于电网电压，因此，滤波电容并电阻的阻尼方式会造成较大的功率损耗。(3)网侧电感串电阻的方式几乎不影响滤波器高频段特性，但会导致低频段增益显著降低，从而影响变换器控制系统的跟踪性能。(4)随阻尼电阻减小，网侧电感并电阻的方法可有效阻尼谐振。然而，该方法会显著降低LCL滤波器的高频滤波效果，无法兼顾阻尼效果和滤波 性能。基于上述分析讨论，综合考虑功耗、滤波特性以及阻尼效果，滤波电容串电阻的方案较优于其他三种方案，因此，工程中常采用这一无源阻尼方法。当设置阻尼电阻Rd=1 时，图10展示了采用无源阻尼后Go(s)的频率特性随Zg波动的变化情况。对比图7可见，滤波电容串电阻的无源阻尼方案能有效 电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 40 降低谐振峰值，保持系统稳定。近年来，为进一步降低由电阻造成的有功损耗，一些高阶无源阻尼方案被相继提出37，但与此同时，滤波电路复杂度上升，系统的体积变大以及成本增加。图 10 采用滤波电容串电阻无源阻尼后 Go(s)的频率特性 3.2.3 基于电压/电流反馈的有源阻尼方案 无源阻尼方案虽然实现简单且鲁棒性强，但其无法避免地会造成额外损耗。为此，研究人员提出基于电压/电流反馈的有源阻尼方案。通过增加电压、电流传感器，以改变软件控制策略的方式实现LCL滤波器谐振峰的有效衰减29。实际上，基于电路状态变量反馈的有源阻尼方法可以理解成，通过控制算法在滤波器电路中串联或者并联接入了一个“虚拟阻抗”，从而达到类似于无源阻尼的谐振峰抑制效果。常用的有源阻尼方案包括反馈滤波电容电流40-41、反馈滤波电容电压42及反馈逆变侧电感(图8中L1)电流29。此外，有学者对多变量组合反馈43的方案也进行了探讨。基于滤波电容电流的有源阻尼方法常采用比例反馈方式，算法实现简单。文献41中指出，经控制框图等效变换可以发现，反馈滤波电容电流相当于在滤波电容两端并联了一个“虚拟电阻”。根据 第3.2.2节的分析可知，该有源阻尼方法可以在不影响滤波器高、低频段滤波性能的情况下有效抑制 谐振。滤波电容电压的一阶微分等效为滤波电容电流，因此，通过采样滤波电容电压并在反馈通道中实施微分运算，可在理论上达到与反馈滤波电容电流相同的谐振阻尼效果。然而，实际应用中理想的微分运算难以实现，且微分运算可能放大高频干扰。对于基于逆变侧电感电流反馈的方案，文献29开展了详细的理论与试验研究。分析结果表明，此方法能有效阻尼LCL滤波器谐振效应，同时对系统参数变化表现出较强的鲁棒性。然而，反馈逆变侧电感电流相当于在逆变侧电感串联了一个“虚拟电阻”，降低了滤波器的低频增益。因而，为取得良好的电流控制性能，对于控制器的设计提出了较高要求。上述几类有源阻尼方法均是采用单变量反馈，由于反馈信息少，难以同时兼顾阻尼效果、控制性能以及滤波性能。为拓宽参数设计的优化空间，多变量组合反馈方案受到关注，可以实现并网控制系统特征方程极点的自由配置。然而，此类方案需要多个传感器，增加系统成本的同时也降低了可靠性。综上所述，在各类有源阻尼方法中，基于滤波电容电流比例反馈的阻尼方案以其特有的优点被最广泛地应用于并网控制中。当设置图5中反馈系数k=6时，图11给出了Go(s)的频率特性随Zg波动的变化情况。由图11可知，反馈滤波电容电流的有源阻尼方案对网络阻抗变化表现出较强的适应性，能较大程度提升弱电网下跟网型并网变换器的稳定运行能力。图 11 采用滤波电容电流反馈有源阻尼后 Go(s)的频率特性 3.2.4 前向通道附加数字滤波器方案 除修改滤波器电路结构的无源阻尼方案和基于变量反馈的有源阻尼方案外，通过在控制系统的前向通道中串联校正环节，调整并网控制系统的频率特性也可以达到改善并网系统稳定性的目的。图12展示了该方案的具体实现，Gf(s)代表所采用的校正环节的传递函数。常用的校正环节有3种：陷波滤波器44-45、低月 2023 年 6 月 马文杰等：跟网型并网变换器的稳定域重塑控制策略研究综述 41 通滤波器46和超前-滞后滤波器47。陷波滤波器会在其自身特征频率附近呈现极强的幅值衰减效应，通过参数设计，将陷波器的特征频率配置到并网控制系统的谐振频率附近，从而提升并网系统的幅值裕度，保证弱电网下并网变换器的稳定运行。与陷波器不同，超前-滞后滤波器主要是通过修正并网系统在谐振频率附近的相频特性来提升并网系统的相位裕度。对于低通滤波器而言，其兼具幅频特性和相频特性重塑功能，因而在设计时需要进行多方面 考虑。图 12 采用前向通道附加数字滤波器方案的系统模型 虽然基于前向通道附加数字滤波器的方案既不会造成附加损耗，也无需增设电压/电流反馈通道，但是此类方法的设计依赖于准确获知系统参数，鲁棒性较差29。例如，陷波滤波器仅在其特征频率附近呈现出显著的幅值衰减特性。然而，由图7可知，LCL滤波器的谐振频率会随着电网等效阻抗波动而产生大幅变化。此时，基于陷波滤波器的谐振抑制方案很可能失效。3.2.5 其他方案 除前述三大类方案，一些学者还研究了单电流闭环控制方案48、基于电网阻抗在线监测的方案49及基于模型降阶的方案50。对于单电流闭环控制方案，其最大优势在于可以减少传感器的使用51-52，降低系统成本。然而，由于反馈信息的缺失，其难以兼顾电流跟踪性能与谐振抑制效果。相比于第3.2.3节中所介绍基于单变量反馈的有源阻尼方案，基于模型降阶的方案并未减少传感器的使用，通过采样不同位置的电流，经过加权加和运算对三阶被控对象进行等效降阶53，从而消除谐振峰。然而，基于模型降阶的方案依赖于系统参数的准确匹配。理论上来说，通过实时测量电网阻抗和在线更新控制参数的方式，可以使并网系统具备优良的稳定鲁棒性。但是，电网阻抗的在线监测需要附加硬件装置。另一方面，在线监测的实现需要向电网注入谐波电流54，恶化了并网变换器输出电流的电能质量。综合上述各小节分析讨论，表2总结了不同谐振阻尼方案的优缺点。表 2 各类谐振阻尼方案的优缺点总结 方案 优点 缺点 无源阻尼 方案 鲁棒性强，无须增设传感器，不改变控制结构 电阻元件的接入导致额外功率损耗 基于变量反馈的有源阻尼方案 鲁棒性较强，通过软件算法实现具有较高自由度 需要附加高精度传感器、需要对数字控制延时进行补偿，因而策略设计较复杂数字滤波器方案 无需增设传感器，通过软件算法实现谐振抑制 阻尼效果较依赖系统精确参数，难以兼顾相位和幅值裕度 单电流闭环控制方案 可减少传感器数量 依赖于系统参数，因而鲁棒性较差 基于电网阻抗在线监测的方案 自适应调整锁相环控制参数，可兼顾并优化系统动态性能与稳定性 需要附加电网阻抗监测装置，可能恶化并网电能质量 基于模型降阶的方案 通过多变量反馈运算实现被控对象的等效降阶，可简化后续控制器设计 依赖于系统参数的准确匹配，因而鲁棒性较差 3.3 考虑锁相环动态的稳定域重塑控制 针对弱电网下跟网型并网变换器在几百Hz以上频段的电流稳定控制问题，第3.2节详述了近十几年来的工作进展。随着研究深入，Zg对并网系统低频段动态特性的影响也逐步引起重视55。相关科研人员发现，弱电网下并网系统中的低带宽环路，即锁相环与功率环，也会影响整个系统的稳定性。各环路间的交互作用引发形态各异的失稳现象56。由于在并网变换器控制系统设计时，功率环与电流环之间已设置有足够的带宽差异57，因而，在分析中一般不考虑功率环与电流环之间的交互作 用58-59。根据所研究问题时间尺度的不同，可将相关研究划分为两大类：考虑锁相环与电流环交互作用；考虑锁相环与功率环交互作用。3.3.1 锁相环与电流环交互作用引发失稳机理分析 为揭示锁相环与电流环交互作用导致系统失稳的机理，本节将基于第3.1.2节所介绍的阻抗法从阻抗概念层面进行剖析。计及锁相环动态时，并网系统的等效电路模型如图13所示60-61。对比图6可以发现，此时，并网变换器这一子系统中不再包含有理想电流源，取而代之的是与锁相环密切相关的等效阻抗Zpll(s)。也就是说，锁相环的引入使得并网变换器的等效输出阻抗模型中新增了一条并联阻抗 支路。图 13 考虑锁相环时并网系统等效电路模型 电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 42 由图13可得 ()()()()()ggdoeoe11esZsZssisZ=+(9)其中 ()()()oeopll111ZsZsZs=+根据阻抗判据，考虑锁相环与电流环交互作 用时，并网系统稳定需要满足：1/Zoe(s)稳定；Zg(s)/Zoe(s)满足广义奈奎斯特判据。对于条件，只需要在控制设计时保证电流环和锁相环分别稳定，即可满足60。因此，在强电网条件下，即Zg0时，锁相环与电流环之间不存在交互作用，两者可独立进行分析设计，并网系统的稳定性可等同于电流内环的稳定性。这也从一个方面给出了经典电流闭环矢量控制方法广受欢迎的原因。对于条件，可以如此解读。弱电网下Zg较大，并网电流ig的扰动经Zg放大叠加至PCC点电压之上，从而影响锁相环的输入信号。锁相环的内部扰动造成并网电流参考值变化，进一步影响变换器注入电网的电流ig。由此可见，弱电网下，锁相环与电流内环之间存在复杂的动态耦合，两者共同决定并网系统的稳定性。3.3.2 考虑锁相环与电流环交互作用的稳定控制 综合前节分析可知，弱电网下，锁相环与电流环之间的强相互作用是导致并网变换器出现稳定问题的关键因素。因此，通过参数设计调整控制环路带宽以削弱锁相环与电流环的动态交互，或者通过新增前馈通道消除锁相环与电流环之间的耦合成为增强跟网型并网变换器运行稳定性的基本思路。基于此认知，可将现有研究工作主要划分成3大类：研究SRF-PLL控制参数的优化设计方法；研究新型锁相方案；研究环路间耦合效应的前馈补偿方案。在优化设计锁相环参数方面，文献60经研究指出，SRF-PLL带宽、并网电流参考值大小以及并网功率因数均对并网系统的稳定性产生影响。SRF-PLL带宽越大，系统对弱电网的适应性越差。因此，该文给出一种可综合考虑SRF-PLL动态响应速度指标和系统稳定裕度要求的锁相环参数设计方法。进一步地，文献62-63定量化讨论了SRF-PLL带宽与电流环带宽的配比问题，给出了在电流环带宽确定的情况之下，SRF-PLL带宽的系统性设计方法。虽然通过优化设计SRF-PLL带宽是改善弱电网下跟网型并网变换器稳定性的一种有效方案，但是应用此类方案在指导设计时，为保证并网系统在最严苛电网工况下仍稳定运行，导致SRF-PLL的带宽选取往往可能过于保守。文献64提出了自适应调整SRF-PLL带宽的方案，在电网阻抗实时监测能简单实现的条件下，自适应调整带宽应是一种更具潜力的手段。除优化SRF-PLL参数外，采用改进型锁相方案也受到众多学者关注。文献61中对比分析了SRF-PLL和基于二阶广义积分器锁相环在弱电网下的阻抗特性，指出采用基于二阶广义积分器的锁相方案更有利于并网变换器的稳定运行。通过将SRF-PLL与延时环节相串联所构成的延时锁相方案也引起研究人员兴趣65。文献66中对采用延时锁相方案的并网变换器控制系统进行研究，发现当电网阻抗较大时，并网变换器入网电流的谐波畸变率上升，系统可能失稳，并分析指出可通过降低并网有功功率、降低电流控制器低频增益或者限制延时锁相环带宽来改善并网系统稳定性。由于并网有功功率无法随意调节，且电流控制器带宽决定控制性能，因此，文献66中提出在延时环节之前再增加低通滤波器的改进型锁相方案。此外，还有学者研究提出将SRF-PLL与自抗扰控制相结合的改进型锁相方案33。虽然各类改进型锁相方案相比于单纯的SRF-PLL可在一定程度上改善并网系统稳定性，但是，正如文献66中所指出，改进型锁相方案从本质上来说是通过牺牲锁相环动态特性来换取稳定裕度的提升。无论是优化SRF-PLL参数，还是改进锁相环结构，为保证并网系统在弱电网下稳定运行，锁相环的带宽终究会受到电流环带宽的制约。因此，有学者提出采用解耦设计来减弱SRF-PLL与电流内环之间的动态交互。通过对采用SRF-PLL的并网变换器进行小信号建模研究，可以定量分析SRF-PLL与电流控制环路之间的耦合项。因此，基于前馈补偿的思想，文献67-70提出基于并网点电压前馈的扰动补偿控制方案，从而可在不降低锁相环带宽的前提下，提升并网系统对电网阻抗变化的适应性。文献55则通过在锁相环中引入并网电流的一阶微分前馈项来减弱锁相环与电流环之间的动态耦合，使并网系统稳定性得以改善。值得指出的是，此类前馈补偿方案的设计依赖于系统参数，且前馈通道中所含有的相位超前环节在物理上较难实现，因此，其鲁棒性和实际应用效果仍有待进一步探究。月 2023 年 6 月 马文杰等：跟网型并网变换器的稳定域重塑控制策略研究综述 43 综合上述分析，表3总结了考虑锁相环与电流环交互作用的不同稳定控制策略的优缺点。表 3 考虑锁相环与电流环交互作用的稳定控制策略 优缺点总结 方案 优点 缺点 SRF-PLL 控制参数 优