以PCC點(diǎn)電壓為反饋量的有源阻尼方法可有效抑制變流器接入弱電網(wǎng)時(shí)可能出現(xiàn)的失穩(wěn)振蕩，但該方法會(huì)影響到并網(wǎng)電流質(zhì)量。為此，揚(yáng)州大學(xué)電能變換與控制團(tuán)隊(duì)的楊樹德、李旺、徐佳，北方民族大學(xué)的張新聞和西安交通大學(xué)的熊連松在2023年第23期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，提出一種基于并網(wǎng)電流諧波微分的有源阻尼策略，該方法通過微分運(yùn)算將系統(tǒng)失穩(wěn)振蕩時(shí)的諧振電流轉(zhuǎn)換成PCC點(diǎn)處的諧振電壓，可兼顧弱電網(wǎng)下并網(wǎng)變流器系統(tǒng)穩(wěn)定控制和高質(zhì)量并網(wǎng)電流兩方面需要。最后，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

研究背景

現(xiàn)有的以PCC點(diǎn)電壓為反饋量的有源阻尼策略雖然可顯著提高變流器接入弱電網(wǎng)時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但這種方法會(huì)將電網(wǎng)背景諧波電壓擾動(dòng)引入到并網(wǎng)電流參考值上，當(dāng)電網(wǎng)電壓含有背景諧波時(shí)會(huì)在并網(wǎng)電流中產(chǎn)生不必要的諧波，難以兼顧到并網(wǎng)電流質(zhì)量。因此，亟需尋求能夠兼顧弱電網(wǎng)下變流器系統(tǒng)穩(wěn)定控制和并網(wǎng)電流質(zhì)量?jī)煞矫嫘枨蟮挠性醋枘岵呗浴?/span>

論文所解決的問題及意義

考慮到弱電網(wǎng)下電網(wǎng)等值電感兩端電壓和電流之間的微分關(guān)系，我們采用微分運(yùn)算將系統(tǒng)失穩(wěn)振蕩引發(fā)的諧振電流轉(zhuǎn)換成PCC點(diǎn)處的諧振電壓，從而避免了將電網(wǎng)背景諧波電壓擾動(dòng)引入到并網(wǎng)電流參考值上，該有源阻尼策略可在提高弱電網(wǎng)下并網(wǎng)變流器系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)兼顧到并網(wǎng)電流質(zhì)量。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

（1）采用根軌跡和小增益定理分析弱電網(wǎng)下并網(wǎng)變流器的穩(wěn)定性

弱電網(wǎng)下并網(wǎng)變流器系統(tǒng)的誤差傳遞框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的誤差傳遞關(guān)系

弱電網(wǎng)下電網(wǎng)等值電感變化時(shí)T3(z)的根軌跡和T5(z)中R(z)的Nyquist曲線如圖2所示，可見，此時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)等值電感的變化較敏感，變流器所能適應(yīng)的最小SCR為20，無法適應(yīng)SCR<10的工況。

圖2 弱電網(wǎng)下Lg變化對(duì)變流器系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

（2）提出基于并網(wǎng)電流諧波微分的有源阻尼策略

本文提出的以并網(wǎng)電流為反饋量的有源阻尼控制原理如圖3所示。該方案本質(zhì)上是利用PCC點(diǎn)處系統(tǒng)失穩(wěn)振蕩所引起的諧波電壓進(jìn)行有源阻尼，避免了將電網(wǎng)背景諧波電壓擾動(dòng)引入到并網(wǎng)電流參考值上，因此可兼顧弱電網(wǎng)下并網(wǎng)變流器系統(tǒng)穩(wěn)定控制和高質(zhì)量并網(wǎng)電流兩方面的需要。

圖3 基于并網(wǎng)電流諧波微分的有源阻尼控制原理

采用文中所提出的有源阻尼策略后電網(wǎng)等值電感變化時(shí)T3(z)的根軌跡和T5(z)中R(z)的Nyquist曲線如圖4所示，可見，此時(shí)變流器所能適應(yīng)的最小SCR為2.9，顯著提高了變流器對(duì)弱電網(wǎng)的適應(yīng)能力。

圖4 采用并網(wǎng)電流諧波微分有源阻尼策略后弱電網(wǎng)下Lg變化對(duì)變流器系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

（3）有源阻尼策略對(duì)系統(tǒng)背景諧波電壓擾動(dòng)抑制能力的影響對(duì)比

圖5分別給出了引入并網(wǎng)電流諧波微分有源阻尼和以PCC點(diǎn)電壓為反饋量的有源阻尼前后電網(wǎng)電壓至系統(tǒng)誤差傳遞函數(shù)的幅頻特性。可見，引入以PCC點(diǎn)電壓為反饋量的有源阻尼控制后，系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)背景諧波電壓擾動(dòng)的抑制能力降低，而引入基于并網(wǎng)電流諧波微分的有源阻尼控制不會(huì)影響到系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)背景諧波電壓擾動(dòng)的抑制能力。

圖5 不同有源阻尼策略下E(z)/ug(z)的幅頻特性曲線

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，引入電流諧波微分有源阻尼后，在SCR為10和4.6兩種工況下系統(tǒng)均能穩(wěn)定運(yùn)行，并網(wǎng)電流THD分別為2.11%和1.6%，作為對(duì)比，圖7給出了SCR=10時(shí)采用以PCC點(diǎn)電壓為反饋量的有源阻尼時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明雖然系統(tǒng)的穩(wěn)定性得以保證，但電流質(zhì)量有所下降，與電流諧波微分有源阻尼相比，THD由2.11%增大至3%。該結(jié)果表明文中所提有源阻尼策略可兼顧弱電網(wǎng)下并網(wǎng)變流器系統(tǒng)穩(wěn)定控制和高質(zhì)量并網(wǎng)電流兩方面需要。

圖6 采用基于并網(wǎng)電流諧波微分有源阻尼策略時(shí)不同SCR下的并網(wǎng)電流及其THD

圖7 SCR=10時(shí)采用以PCC點(diǎn)電壓為反饋量的有源阻尼策略時(shí)的并網(wǎng)電流及其THD

結(jié)論

1）若在并網(wǎng)變流器控制中未考慮電網(wǎng)等值阻抗，弱電網(wǎng)下較大的電網(wǎng)等值電感可能影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至引發(fā)系統(tǒng)失穩(wěn)振蕩。

2）以PCC點(diǎn)電壓為反饋量的有源阻尼策略可顯著提高弱電網(wǎng)下并網(wǎng)變流器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，然而，該策略會(huì)削弱系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)背景諧波電壓擾動(dòng)的抑制能力，降低并網(wǎng)電流質(zhì)量。

3）基于并網(wǎng)電流諧波微分的有源阻尼策略避免了將電網(wǎng)背景諧波電壓擾動(dòng)引入到并網(wǎng)電流參考值上，可兼顧弱電網(wǎng)下并網(wǎng)變流器系統(tǒng)穩(wěn)定控制和高質(zhì)量并網(wǎng)電流兩方面的需要。

團(tuán)隊(duì)介紹

揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院楊樹德博士課題組成員主要由有活力、肯拼搏的碩士研究生構(gòu)成，有碩士研究生7人。團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事新型電力電子裝置及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方面的研究（包括電能質(zhì)量治理裝置、新能源發(fā)電并網(wǎng)逆變器、電動(dòng)汽車充電模塊、線路調(diào)壓裝置等）。團(tuán)隊(duì)與北方民族大學(xué)張新聞教授、西安交通大學(xué)熊連松教授團(tuán)隊(duì)保持長(zhǎng)期學(xué)術(shù)交流。

楊樹德，1986年生，河南省駐馬店人，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師，中國(guó)電源學(xué)會(huì)會(huì)員，2017年畢業(yè)于西安理工大學(xué)電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)，師從同向前教授，研究方向?yàn)樾滦碗娏﹄娮友b置及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。以第一/通訊作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文18余篇，其中SCI/EI檢索7篇，授權(quán)發(fā)明專利1項(xiàng)。主持縱向科研項(xiàng)目3項(xiàng)，企業(yè)委托技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目2項(xiàng)。

李旺，1996年生，碩士研究生，研究方向?yàn)槿蹼娋W(wǎng)下并網(wǎng)變流器系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與增強(qiáng)控制。

徐佳，1999年生，碩士研究生，研究方向?yàn)槿蹼娋W(wǎng)下并網(wǎng)變流器系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與增強(qiáng)控制。

張新聞，1976年生，博士，教授。北方民族大學(xué)電氣工程學(xué)科負(fù)責(zé)人。現(xiàn)主要從事主動(dòng)配電網(wǎng)電能質(zhì)量與電力電子變換器控制方面的研究。2016年以來主持國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng)、中國(guó)工程院重大咨詢項(xiàng)目子項(xiàng)目1項(xiàng)、寧夏自然科學(xué)基金等省部級(jí)科研項(xiàng)目4項(xiàng)、企業(yè)委托項(xiàng)目5項(xiàng)；發(fā)表論文30余篇，授權(quán)發(fā)明專利4項(xiàng)。

熊連松，副教授、博士生導(dǎo)師，全球前2%頂尖科學(xué)家榜單、西安交通大學(xué)青年拔尖人才計(jì)劃入選者，中國(guó)電源學(xué)會(huì)青工委常務(wù)委員兼副秘書長(zhǎng)、中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電控系統(tǒng)與裝置專委會(huì)委員。長(zhǎng)期從事電力電子與新能源發(fā)電方面的教學(xué)科研工作。

主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（優(yōu)秀結(jié)題）等縱向課題11項(xiàng)，部分成果已應(yīng)用于陜西、新疆、廣東等地的工程項(xiàng)目。發(fā)表SCI/EI論文72篇、ESI論文4篇，論文谷歌H因子23，被至少12位院士、36位IEEE Fellow正面引用、評(píng)價(jià)；曾獲中國(guó)電源學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、陜西省自然科學(xué)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、中國(guó)電子學(xué)會(huì)自然科學(xué)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)、陜西省優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)、ICPES青年科學(xué)家獎(jiǎng)等榮譽(yù)；擔(dān)任多本學(xué)術(shù)期刊的編委、副編輯、客座編輯、客座副編輯以及多個(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議的專題主席/獎(jiǎng)勵(lì)委員會(huì)共同主席/程序委員會(huì)共同主席/技術(shù)委員會(huì)委員。

本工作成果發(fā)表在2023年第23期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于并網(wǎng)電流諧波微分的有源阻尼策略研究”。本課題得到江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)基金、寧夏自然科學(xué)基金和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。