考慮不同控制模式的柔直換流站頻率控制方法對比研究

魏力超，王晨軒，章澤磊，汪 震

（浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027）

0 引 言

近年來，為了實現2030年前二氧化碳排放達峰、2060年前碳中和的目標[1，2]，我國正逐步構建高比例新能源、高比例電力電子設備的新型電力系統。隨著在新型電力系統中電力電子變流器占比的不斷增加，傳統電網特性正在發生轉變[3，4]。在高比例電力電子設備的電力系統中，電壓源型變流器的占比正快速攀升，并在實際工程中得到了充分認可。尤其是，基于電壓源型變流器的柔性直流輸電技術具有響應速度快、控制靈活、輸出諧波少、適合向無源系統供電等優勢，已經得到了廣泛的應用[5-7]。我國柔性直流輸電技術發展極其迅速，并取得了多項成功案例[8]。

電壓源型變流器的控制模式可以分為跟網型（grid-following，GFL）和組網型（grid-forming，GML）[9]。目前的電壓源型變流器一般采用跟網型控制，跟網型變流器利用鎖相環（phase locked loop，PLL）跟蹤交流電網電壓來提供輸出電壓的相位角，實現與電網的同步。電力電子設備的大量接入會導致電網強度大幅度降低[10]，而電網強度對鎖相環的控制性能有著重要影響。特別是系統短路比（short circuit ratio，SCR）常被用來描述電網的強度[11]。文獻[12]的研究結果表明，在弱電網下鎖相環與電流控制會出現嚴重的耦合現象，對電流控制的穩定裕度造成較大影響，一個小的擾動就會引起電網頻率的較大波動和偏差。為了改善跟網型變流器的頻率響應，學者們提出了基于PLL的下垂控制[13]和基于PLL的虛擬同步發電機（virtual synchronous generator，VSG）控制[14]等改進的跟網型控制方法。但是，在弱電網下這些方法依舊會降低變流器的穩定性，引起頻率振蕩等問題。

針對跟網型變流器存在的問題，能夠在弱電網下為提供系統可靠頻率支撐能力的組網型變流器被提出[15]。組網型變流器最初被設計為定電壓/頻率（VF）控制，它作為一個理想的電壓源，能夠形成穩定的交流電壓，但由于輸出的電壓和頻率恒定，只能應用于無源電網[16]。當其應用于有源電網時，需在VF控制的基礎上增添功率控制外環，組網型變流器的基本思想在于通過調節功率從而輸出電壓幅值和相位的給定值，因此不需要借助鎖相環便可實現同步。目前，應用最為廣泛的是組網型下垂控制[17]，另外還有匹配控制[18]、虛擬振蕩器控制[19]等非線性控制方法。

隨著柔性直流系統中換流站容量的不斷增大，使其參與交流電網的頻率調節具有重要意義。目前的柔性直流系統中大多數采用跟網型換流站，無法靈活地參與系統調頻，在弱電網下可能會有更嚴重的穩定問題[20]。在柔性直流輸電系統中應用組網型換流站，能夠改善系統在弱電網的頻率穩定性。

對于柔性直流系統參與交流電網調頻的控制策略，國內外許多學者已經進行了相關研究。文獻[21]提出了一種基于頻率下垂思想的控制策略，并在兩端柔性直流系統中驗證了方法的可行性。文獻[22]通過添加虛擬慣性環，在下垂系數中考慮了頻率偏差，能夠在一定程度上穩定頻率，但是無法實現頻率的無差控制。文獻[23]采用下垂控制、VSG控制等控制策略，加快了柔性直流系統的功率調節速度，有益于交流系統間進行頻率支援。文獻[24]對柔直換流站參與系統調頻的VSG方法進行了研究，同時對直流電壓進行了協調控制，進一步提高了系統的可靠性。文獻[25]為了改善柔直換流站參與調頻過程中的暫態波動，將自適應虛擬慣性控制應用到柔性直流輸電系統。文獻[26]提出一種無需鎖相環的換流站控制方式，使柔直換流站對交流電網體現為電壓源，解決了柔性直流系統并入弱電網的諧振問題。

本文針對柔性直流系統連接弱電網時由于跟網型換流站中鎖相環的非線性引起的頻率穩定性問題，提出了無需鎖相環的組網型VSG控制策略。該控制策略在換流站輸出的有功功率、無功功率與交流電網的頻率、電壓之間建立了一定的函數關系，并且不依賴鎖相環跟蹤系統頻率，使得柔性直流系統在弱電網下擁有良好的頻率調節能力。最后，在PSCADEMTDC仿真平臺上搭建了三端VSC-MTDC系統對所提控制策略的有效性進行了驗證。

1 跟網型柔直換流站頻率控制策略

典型的跟網型變流器的等效電路如圖1所示[9]，其外特性表現為與阻抗Z并聯的受控電流源，其中P*和Q*分別表示變流器輸出有功功率和無功功率的參考值；V1為交流電網電壓。跟網型變流器通過控制輸出電流來控制其輸出功率。

圖1 跟網型變流器的等效電路

1.1 跟網型變流器控制結構

跟網型變流器的控制結構如圖2所示。圖中，變流器控制結構由以下幾部分組成：采樣、鎖相環、功率控制外環、電流控制內環以及PWM發生器。

圖2 跟網型變流器的控制結構

變流器采樣得到的信號均存在于三相abc靜止坐標系中，為了簡化控制器的設計，變流器通常在兩相dq旋轉坐標系中控制。為此，首先需要通過如式所示的變換矩陣對采樣信號進行坐標變換。

其中，鎖相環通過跟蹤交流電網電壓獲得的相位角θ作為坐標變換時使用的坐標角。功率控制外環根據不同的控制要求調節不同的變量，包括有功功率、無功功率、直流側電壓和交流側電壓，其輸出值被作為電流控制內環的輸入信號。電流控制內環通過比例積分控制器（PI）調節輸出電流，以獲得變流器的調制信號。

1.2 基于PLL的下垂控制

基于PLL的下垂控制是應用最為廣泛的換流站控制策略，其控制框圖如圖3所示[13]。其中，m和n分別為有功—頻率下垂系數和無功—電壓下垂系數，L和C分別是濾波電感和濾波電容；ω0是額定頻率，V2為換流站的輸出電壓，δ是功率角，下標d和q分別代表d軸和q軸分量。

圖3 基于PLL的下垂控制結構

采用基于PLL的下垂控制的換流站可以對電網擾動做出響應，具有參與交流電網頻率調節的能力。但其仍然作為受控電流源運行，沒有獨立運行能力，在弱電網中，由鎖相環引起的固有的頻率穩定性問題仍然是一個潛在的風險。

1.3 基于PLL的VSG控制

基于PLL的下垂控制不具備同步發電機的慣性和阻尼特征。為此，在基于PLL的下垂控制的基礎上增加了一個虛擬慣性環，提出了一種基于PLL的VSG控制。VSG控制技術通過模擬同步發電機機械和電磁部分，旨在為電網提供慣性支持[14]，由于模擬了同步發電機的運行特性，所以其天然具有參與交流電網頻率響應的能力[27-29]。

基于PLL的VSG控制框圖如圖4所示。其虛擬慣性控制是根據同步發電機的轉子運動方程設計的：

圖4 基于PLL的VSG控制結構

其中，ω為換流站的輸出頻率，Pm和Pe分別模擬同步發電機的機械功率和電磁功率，Tm和Te分別模擬同步發電機的機械轉矩和電磁轉矩，J為虛擬轉動慣量；DP為阻尼系數，J的存在使VSG在頻率動態過程中具有了虛擬慣性，DP的存在使VSG對頻率振蕩具有阻尼作用。在初始穩定狀態下，Pm=Pe=P0，P0為額定功率。假設Pm保持不變，式（2）可以表示為：

上式反映了電磁功率變化ΔPe和頻率ω之間的動態特性，其中ΔPe包括慣性項（ΔPi）和阻尼項（ΔPd）。將功率變化ΔPe添加到額定功率P0中以調節換流站輸出的有功功率從而實現對頻率擾動的抑制。

1.4 跟網型換流站的同步原理

跟網型換流站主要采用電流源形式進行并網，同步過程需要依賴鎖相環追蹤外部電網的相位信息，并通過對注入電流的控制來控制功率輸出。鎖相環是一個閉環反饋控制系統，能夠直接采集外部電網的相位信號，并將輸出相位和參考相位的差值降到最低。如圖5所示，典型的鎖相環包含鑒相器（phase detector，PD），環路濾波器（loop filter，LF）和壓控振蕩器（voltage controlled oscillator，VCO）三個模塊[30]。

當鎖相環開始工作時，參考信號的頻率與VCO的固有振蕩頻率不同。因此，它們的相位差不斷變化。特別地，PD的特性周期為2π，因此PD輸出的電壓偏差量會在一定范圍內波動。這個電壓偏差量通過LF轉換成控制電壓加到VCO上，使VCO的輸出頻率趨向于參考信號的頻率，直到兩者完全相等，鎖相環達到平衡。兩個頻率之間的相位差不再隨時間改變，這時鎖相環處于“鎖定”狀態。當參考信號發生改變時，VCO的輸出頻率隨之改變，使鎖相環重回“鎖定”狀態，這一動態過程即為“跟蹤”過程。

2 組網型柔直換流站頻率控制策略

組網型變流器與跟網型變流器的工作特性不同，它表現為與阻抗Z串聯的可控電壓源，能夠直接控制輸出電壓以控制輸出功率，其等效電路如圖6所示[31]。其中，V*和ω*分別表示變流器電壓幅值和頻率的參考值；V1為交流電網電壓。相比于跟網型變流器，組網型變流器的電壓源特性和同步策略使其在弱電網中有更好的穩定性。

圖6 組網型變流器的等效電路

2.1 組網型變流器控制結構

組網型變流器的控制結構如圖7所示，組網型變流器的采樣、電壓和電流控制以及PWM發生器與跟網變流器相同，在電壓/電流控制內環上的控制方法與跟網型變流器也是一致的。組網型控制通過調節功率輸出，給定一個電壓幅值V和相位θ的設定值，該相位角θ可以看作是同步信號，作為組網型變流器中坐標變換時使用的坐標角，該電壓幅值和相位被用作電壓和電流控制內環的給定值。最后，電壓和電流控制內環輸出一個調制信號通過PWM發生器產生功率器件的觸發信號。

圖7 組網型變流器的控制結構

2.2 組網型VSG控制

針對采用跟網型VSG控制的換流站在連接弱電網的情況下可能會因為鎖相環的非線性對系統頻率穩定性帶來的影響，組網型VSG控制策略被提出。與圖3所示的基于PLL的VSG控制原理類似，組網型VSG控制技術的控制思想同樣來源于式（4）的傳統同步發電機運行特性。

組網型VSG的有功—頻率控制模擬同步發電機的轉子運動特性和調速器一次調頻過程，其表達式如下所示：

圖8中有功—頻率控制通過有功功率參考值P0與實際值Pe的偏差量實現對組網型VSG控制中虛擬轉速ω的調整，進而利用積分器得到輸出電壓的相位參考值θ，實現組網型VSG控制的自同步。組網型VSG電壓相位參考值的產生過程并未使用鎖相環，避免了連接弱電網的情況下鎖相環對系統頻率穩定性帶來的不利影響。

圖8 具有慣性和阻尼特性的的有功—頻率控制

組網型VSG的無功—電壓控制模擬同步發電機的勵磁調節過程。傳統同步發電機通過改變勵磁電流來改變感應電動勢幅值，而組網型VSG通過檢測無功功率偏差和電壓偏差來調節輸出電壓幅值E，如式（5）所示。圖9給出了無功—電壓控制的控制框圖。

圖9 無功—電壓控制

其中，En是換流站空載運行時的機端電壓，V、V0分別是換流站并網點處的交流電壓的實際值和參考值；Qe、Q0分別是換流站輸出的無功功率的實際值和參考值；kq表示無功調節系數；kv表示電壓調節系數。

2.3 組網型換流站的同步原理

組網型換流站主要采用電壓源形式進行并網，與傳統的同步發電機類似，組網型換流站通過調節其輸出有功功率實現與電網同步，下面簡要說明其功率同步原理：

定義并網點電壓超前于交流電網電壓的相位差為δ，δ變化的過程即為組網型換流站與電網的同步過程，與同步發電機轉子運動方程類似，對δ的控制如下所示：其中P*和P為換流站輸出有功功率的參考值和實際值。假設初始狀態下P*＞P，那么＞0，δ逐漸增大；P與δ呈正相關關系，因此P*與P之間的差值逐漸減小，直至P*=P，此時組網型換流站和交流電網的頻率一致，電壓相位差δ不再改變，完成同步過程。

3 兩種控制模式的換流站的區別

綜上所述，跟網型和組網型換流站主要存在以下三方面的區別：（1）電網擾動響應；（2）同步方式；（3）適用條件。

年年接待檢查，學校也有了某種應對辦法，如書面匯報材料一項就可省些事兒，把前一年的匯報材料稍作改動，換換數字和日期等就可應付。檢查人員聽了口頭匯報，書面匯報材料是不看的，帶回去交差肯定也成了廢紙。

3.1 電網擾動響應的區別

當電網發生擾動時，由于其固有的電流源特性，跟網型換流站在擾動瞬間將保持輸出電流恒定，在鎖相環重新追蹤到外界頻率之前，換流站的輸出電壓不可避免地會發生突變；由于其固有的電壓源特性，組網型換流站的內電勢在擾動瞬間將保持恒定，這種快速反應優于跟網型換流站，但根據擾動大小和系統特性的不同，可能會導致換流站輸出電流的突變，從而危及硬件組件。

3.2 同步方式的區別

跟網型換流站的同步過程需要依賴鎖相環追蹤外部電網的相位信息，而在弱電網下，跟網型換流站中的鎖相環無法較好地追蹤系統頻率，在頻率事件發生初始階段，鎖相環輸出的高頻振蕩成分，容易對系統頻率造成較大沖擊，嚴重情況下，可能影響系統的安全穩定運行；對于組網型換流站，其不需要追蹤外界頻率而是通過功率信號實現同步，可以較好地適應弱電網。

3.3 適用條件的區別

跟網型換流站在強電網下具有較好的穩定性和快速的功率響應能力。然而在弱電網下，鎖相環與電網阻抗之間存在強耦合，電網電壓前饋和高帶寬的鎖相環控制會降低系統的穩定裕度[32]。組網型換流站的電壓源特性和功率同步策略使其在弱電網中更穩定，能夠輕松地在弱電網中保持同步。同時，還具有對電網頻率的支撐作用，調頻過程的時延短、響應快。然而，在強電網下，組網型換流站功率控制環的動態欠阻尼特性會導致系統不穩定。

4 仿真分析

4.1 仿真系統搭建

為比較跟網型和組網型換流站在柔性直流系統連接弱電網時的調頻特性，本文基于PSCAD/EMTDC搭建了如圖10所示的三端VSC-MTDC仿真系統，受端電網SCR=2，是一個弱電網。換流站主要參數如表1所示。為簡化分析，假設直流線路壓降忽略不計，認為所有換流站均工作于同一直流電壓下。根據最大偏差10%的規定，直流電壓的穩定運行范圍是380～420 k V。

表1 換流站主要參數

圖10 三端VSC-MTDC仿真系統

圖10中，VSC1與送端大電網AC1相連，采用定有功功率、定無功功率的控制方式，設定輸出有功功率500 MW，無功功率0 MVar。VSC2和VSC3與由同步發電機和負荷構成的交流系統AC2和AC3相連，設定VSC2輸出有功功率-300 MW，無功功率0 MVar；設定VSC3輸出有功功率-200 MW，無功功率0 MVar。其中VSC2與VSC3采用相同的控制方式，可選的控制策略有：

1）跟網型VSG控制（圖中以黑線表示）；

4.2 仿真驗證

當t=2 s時刻，交流電網AC2負荷增加30 MW，VSC2和VSC3采用兩種不同控制方法下的仿真結果如圖11所示。

如圖11（a）黑實線所示，當VSC2和VSC3采用跟網型VSG控制時，AC2的頻率下降到49.36 Hz，且在擾動發生的5 s后AC2的頻率才逐漸回升，恢復頻率穩定的時間是30 s左右，系統達到穩態時的頻率偏差為0.1 Hz。如圖11（a）紅實線所示，當VSC2和VSC3采用組網型VSG控制時，AC2的頻率下降到49.50 Hz，且在擾動發生的3 s后AC2的頻率便逐漸回升，恢復頻率穩定的時間是25 s左右，系統達到穩態時的頻率偏差為0.05 Hz。

仿真結果表明，在弱電網下組網型控制相較于跟網型控制有更快的頻率響應速度，能夠減小系統發生擾動時的頻率波動，使系統更快達到穩定狀態，且穩態時的頻率偏差更小，仿真結果與前文理論分析一致。

如圖11（e）所示，當換流站采用組網型VSG控制時，發生負荷擾動后系統的直流電壓在調頻過程中下降到391.9 kV，直流電壓的偏差量作為傳遞頻率偏差量的媒介，直流電壓的變化在VSC3對AC2的負荷擾動進行頻率支援的過程中是不可避免的，因此當負荷擾動進一步增大時，在頻率調節過程中增加對直流電壓波動的限制是必須考慮的。

圖11 AC2負荷增加30 MW仿真波形

5 結論和展望

本文對基于電壓源型變流器的柔性直流輸電系統中換流站的跟網型控制和組網型控制進行比較，針對跟網型VSG控制在弱電網下存在的頻率穩定控制問題，提出了無需PLL的組網型VSG控制策略，組網型控制通過直接調節輸出功率來實現與電網的同步，在弱電網下有更好的穩定性。最后搭建了一個三端柔性直流輸電系統進行仿真驗證了所提控制策略的有效性。理論分析和仿真驗證均表明，跟網型和組網型換流站之間有著本質的區別，跟網型換流站在強電網下有較好的穩定性；而組網型換流站在弱電網中有較好的穩定性和較強的電網支撐能力。