跟网型与构网型变流器在电力系统中的应用研究

0引言

随着风、光等新能源大规模通过电力电子设备接入电力系统,电网特性逐渐发生变化,基于传统同步发电机组旋转动能的惯量响应弱化,抵抗电网频率扰动变化的能力变弱[1]。为提高“双高”特性下的新型电力系统稳定性,有学者提出采用构网型变流器[2—3],通过模拟同步发电机特性[4—5],提高系统阻尼和惯量。

本文通过研究跟网型和构网型变流器控制结构,对比分析不同工况下两种变流器性能,并通过仿真试验验证当系统短路比(SCR)越小,负荷波动对电网频率影响越大,构网型变流器更适合于接入弱电网运行。

1跟网型与构网型变流器基本原理

根据运行机理和对电网的影响,接入电网的变流器可以分为跟网型(GFL)和构网型(GFM)。跟网型变流器可以看作一个受控电流源,如图1(a)所示,它通常采用锁相环实现对电网同步,通过调节注入电网的有功电流和无功电流控制输入功率。由于跟网型变流器依赖电网提供电压参考,当电网出现扰动时,仅能适时调节输入电流大小,而不能支持电网频率和电压调节,因此无法以孤岛模式运行。

构网型变流器可以看作一个受控电压源,如图1(b)所示。一些构网型变流器控制策略无须使用锁相环,可以通过模拟传统同步发电机的功角同步原理实现与电网自同步。与同步发电机相比,构网型变流器由于控制参数调节更为灵活,可快速响应电网频率扰动,因此可以孤岛运行。

此外,一些文献指出,在弱电网中使用锁相环可能会降低功率变换器的稳定裕度,因此跟网型变流器在低短路比电网中控制性能不佳。构网型变流器由于可根据输出有功功率实现自同步,在低短路比电网中具有更好的动稳态性能。但在强电网中,构网型变流器与电网电压之间的微小相位变化可能导致大的功率波动,从而造成变流器过载。

2跟网型与构网型变流器控制结构

跟网型变流器控制通常由锁相环和矢量双闭环控制策略组成,锁相环用于跟踪电网并网点相位角以保持与电网同步,矢量双闭环控制用于调节注入电网的有功电流和无功电流。这种控制策略需要电网提供电压和频率支撑,而不需要考虑电压和频率调节。本文采用PQ方法控制跟网型变流器,外环用于调节变流器输出功率,内环用于调节注入电网的电流。

图2为跟网型变流器PQ控制结构,vdc为直流侧母线电压,uabc为变流器输出电压,ia、ib、ic为注入电网电流,ica、icb、icc为电容电流,Lf、Cf分别为Lc滤波器电感、电容,zg为电网阻抗,pe、Qe分别为输出有功功率和无功功率,pref、Qref为有功功率和无功功率参考值,urd、urq、id、iq、icd、icq分别为SPWM调制电压、变流器输出电流及电容电流在dq旋转坐标下分量,idref、iqref为id、iq电流参考值,θ为相位角。

风、光伏等新能源的随机性和波动性特征加剧了电网的不稳定性,同步发电机控制技术(VSG)由于能使变流器模拟传统同步发电机惯量和阻尼特性,可以有效降低新能源波动对电网稳定性的不利影响。由于VSG控制对象为并网变流器,本文暂不考虑直流侧电压影响,为简化分析,直流侧设定为一个稳定的直流电源。图3为构网型变流器VSG控制结构,Em为参考电压幅值,ud、uq为变流器输出电压在dq旋转坐标下分量,udref、uqref为ud、uq 电压参考值。

众所周知,VSG控制算法主要由工频控制器和励磁控制器组成,工频控制器模拟同步发电机转子的运动方程表征其动态行为,励磁控制器利用比例积分实现对VSG暂态电势Em的控制。同步发电机转子运动方程和电压可表述为:

式中:J为虚拟惯性系数;w为角速度;w0为额定频率;D为阻尼系数;UN为额定电压;U0为空载电压;kq为积分系数;ku为电压比例系数。

根据式(1)(2)可得VSG算法结构,如图4所示,其中E0为空载电势。

3仿真试验

为了验证所提控制策略的有效性,利用Matlab软件进行仿真试验。仿真参数:电网电压幅值为220 V,频率为50Hz,直流电压vdc=700V,滤波器电感Lf=3mH,滤波器电容cf=20μF,变流器额定功率为15 kw,采样频率为20 kHz,虚拟惯性系数J=0.2 kg/m2,阻尼系数D=25,电压比例系数KU=1/15,积分系数Kq=150。仿真试验模拟电网短路比SCR=7.5工况下跟网型和构网型变流器控制性能,并设定系统正常频率范围为48.3~51.5 Hz,频率变化率(ROCOF)不超过2.5 Hz/s。

初始时刻,变流器以15 kw额定功率运行,2 s时刻突降至10 kw。图5所示为跟网型变流器试验波形,可以看出功率外环和电流内环均能在功率扰动瞬间很好地跟踪参考值变化。图6所示为构网型变流器试验波形,变流器输出功率和电流能够紧紧跟随参考值变化,且跟踪性能较跟网型变流器更优。

图7(a)所示为变流器输出功率突降工况下试验波形,与PQ控制算法相比,VSG控制策略能有效减缓变流器输出功率变化,表现出很好的惯性性能,提高了系统的频率稳定性,具有较强的抗扰动能力。图7(b)所示为负载突降工况下试验波形,可以看出当负载突降导致系统频率发生变化时,VSG控制能够快速减少有功功率输出,抑制系统频率上升,降低系统频率波动幅度,从而维持系统稳定。

4结论

本文分析了跟网型和构网型变流器基本原理及控制结构,并通过仿真试验对比分析了两种控制结构在不同工况下的动稳态性能。试验结果表明,构网型变流器能够有效降低变流器输出功率变化和负载扰动对系统频率的影响,提高了系统的抗扰动能力,真实反映了同步发电机的惯性响应特性,进一步验证了构网型变流器更适合应用于低惯量弱电网。

[参考文献]

[1]谢小荣,贺静波,毛航银,等.“双高”电力系统稳定性的新问题及分类探讨[J].中国电机工程学报,2021,41 (2):461-475.

[2]詹长江,吴恒,王雄飞,等.构网型变流器稳定性研究综述[J].中国电机工程学报,2023,43(6):2339-2359.

[3]王冠淇,裴玮,熊佳旺,等.跟网型和构网型变流器混合系统稳定性分析方法[J].中国 电机工程学报,2025,45(1):25-38.

[4]俞波,马豫超.风机虚拟同步发电机的惯性控制研究[J].机电信息,2019(12):21-22.

[5]赵冬梅,裴建楠,白俊辉,等.弱、极弱电网场景下构网型变流器调频能力提升技术研究[J].中国电机工程学报,2024,44(增刊1):215-226.

《机电信息》2025年第17期第15篇