【摘 要】
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新能源发电的大规模并网,提升了电力电子装备在电力系统中的渗透率。基于电力电子变流器接口的分布式电源将逐步取代传统同步发电机,成为现代电力系统中的重要组成部分。作为最广泛使用的并网接口,电压源型变流器促进了分布式发电系统的快速发展。其中,变流器的并网控制性能对现代电力系统的安全稳定运行起到至关重要的作用。为此,本文以并网变流器的Grid-Following（GFL）和Grid-Forming（GFM
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（51877042）；
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新能源发电的大规模并网,提升了电力电子装备在电力系统中的渗透率。基于电力电子变流器接口的分布式电源将逐步取代传统同步发电机,成为现代电力系统中的重要组成部分。作为最广泛使用的并网接口,电压源型变流器促进了分布式发电系统的快速发展。其中,变流器的并网控制性能对现代电力系统的安全稳定运行起到至关重要的作用。为此,本文以并网变流器的Grid-Following（GFL）和Grid-Forming（GFM）两种控制方式为研究对象,重点围绕GFL变流器的电流环控制、GFM变流器的电压环控制、GFM变流器的有功功率环控制,以及大扰动下GFM变流器的同步稳定性展开深入研究。主要研究内容如下:1、在GFL变流器的电流环控制方面,针对基于降阶广义积分器的电流环存在的α轴和β轴电流耦合问题,研究了基于 D-PCI（Decoupled Proportional Complex Integrator）控制器的电流环解耦控制方法,克服了 PRX2控制器解耦方法受滤波器参数和数字控制延时影响而导致的解耦性能下降的问题,有效抑制了电流环α轴和β轴之间的电流耦合,改善了电流环的暂态响应性能。为了实现对不平衡和谐波电流的跟踪控制,将D-PCI控制器推广至任意频次,进一步针对高频次D-PCI控制器受延时影响导致稳定性下降的问题,探讨了基于最佳相位角的延时补偿方法,有效增强了电流环的稳定性。2、在GFM变流器的电压环控制方面,针对LC滤波器的谐振频率fr设计在1/6倍的采样频率fs附近时,GFM变流器不能稳定运行的问题,研究了基于超前补偿器的有源阻尼控制策略,消除了传统双环和有源阻尼控制策略中LC滤波器的谐振频率fr存在的不稳定边界和盲区,将fr的稳定区域从（0,fs/6）拓展到（0,fs/4）。为了解决离散化偏差导致的连续域谐振控制器的性能恶化问题,详细讨论了静止坐标系下离散域电压谐振控制器的设计思路,使输出电压具备快速且小超调的暂态响应,改善了 GFM变流器电压环的动态响应性能。3、在GFM变流器的有功功率环控制方面,针对惯性控制导致的并网有功功率振荡和超调过大的问题,分析并研究了基于功率偏差前馈的VSG（Virtual Synchronous Generator）控制策略。功率偏差前馈通路提升了并网模式下变流器的输出功率响应速度,有效抑制了并网有功功率的振荡和超调。进一步地针对离网模式下系统惯性不足的问题,探讨了切除功率偏差前馈通路的控制策略,使有功功率外环控制变为基于暂态阻尼的VSG控制,增强了变流器在离网模式下的惯性和阻尼特性。因此,采用并网模式下投入和离网模式下切除的功率偏差前馈控制策略,GFM变流器便可实现并网模式下输出有功功率的小超调响应和离网模式下输出频率的大惯性响应。4、基于功率偏差前馈的VSG控制策略,进一步研究了 GFM变流器在电网电压跌落大扰动下的同步稳定性问题。通过与传统VSG控制和基于暂态阻尼的VSG控制进行对比分析,发现功率偏差前馈通路可以有效改善GFM变流器的同步稳定性,并且前馈系数越大,同步稳定性越强。
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