以PCC點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)時可能出現(xiàn)的失穩(wěn)振蕩，但該方法會影響到并網(wǎng)電流質(zhì)量。為此，揚州大學電能變換與控制團隊的楊樹德、李旺、徐佳，北方民族大學的張新聞和西安交通大學的熊連松在2023年第23期《電工技術(shù)學報》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，該方法通過微分運算將系統(tǒng)失穩(wěn)振蕩時的諧振電流轉(zhuǎn)換成PCC點處的諧振電壓，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，通過仿真和實驗驗證了該方法的有效性。

研究背景

現(xiàn)有的以PCC點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)時系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但這種方法會將電網(wǎng)背景諧波電壓擾動引入到并網(wǎng)電流參考值上，當電網(wǎng)電壓含有背景諧波時會在并網(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)量兩方面需求的有源阻尼策略。

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，我們采用微分運算將系統(tǒng)失穩(wěn)振蕩引發(fā)的諧振電流轉(zhuǎn)換成PCC點處的諧振電壓，從而避免了將電網(wǎng)背景諧波電壓擾動引入到并網(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)定性的同時兼顧到并網(wǎng)電流質(zhì)量。

論文方法及創(chuàng)新點

（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，此時系統(tǒng)的穩(wěn)定性對電網(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點處系統(tǒng)失穩(wěn)振蕩所引起的諧波電壓進行有源阻尼，避免了將電網(wǎng)背景諧波電壓擾動引入到并網(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，此時變流器所能適應(yīng)的最小SCR為2.9，顯著提高了變流器對弱電網(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變化對變流器系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

（3）有源阻尼策略對系統(tǒng)背景諧波電壓擾動抑制能力的影響對比

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點電壓為反饋量的有源阻尼控制后，系統(tǒng)對電網(wǎng)背景諧波電壓擾動的抑制能力降低，而引入基于并網(wǎng)電流諧波微分的有源阻尼控制不會影響到系統(tǒng)對電網(wǎng)背景諧波電壓擾動的抑制能力。

圖5 不同有源阻尼策略下E(z)/ug(z)的幅頻特性曲線

（4）實驗結(jié)果

圖6的實驗結(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)定運行，并網(wǎng)電流THD分別為2.11%和1.6%，作為對比，圖7給出了SCR=10時采用以PCC點電壓為反饋量的有源阻尼時的實驗結(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不同SCR下的并網(wǎng)電流及其THD

圖7 SCR=10時采用以PCC點電壓為反饋量的有源阻尼策略時的并網(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，該策略會削弱系統(tǒng)對電網(wǎng)背景諧波電壓擾動的抑制能力，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。

團隊介紹

揚州大學電氣與能源動力工程學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。團隊長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、電動汽車充電模塊、線路調(diào)壓裝置等）。團隊與北方民族大學張新聞教授、西安交通大學熊連松教授團隊保持長期學術(shù)交流。

楊樹德，1986年生，河南省駐馬店人，工學博士，碩士生導師，中國電源學會會員，2017年畢業(yè)于西安理工大學電力電子與電力傳動專業(yè)，師從同向前教授，研究方向為新型電力電子裝置及其在電力系統(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。主持縱向科研項目3項，企業(yè)委托技術(shù)開發(fā)項目2項。

李旺，1996年生，碩士研究生，研究方向為弱電網(wǎng)下并網(wǎng)變流器系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與增強控制。

徐佳，1999年生，碩士研究生，研究方向為弱電網(wǎng)下并網(wǎng)變流器系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與增強控制。

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

熊連松，副教授、博士生導師，全球前2%頂尖科學家榜單、西安交通大學青年拔尖人才計劃入選者，中國電源學會青工委常務(wù)委員兼副秘書長、中國電工技術(shù)學會電控系統(tǒng)與裝置專委會委員。長期從事電力電子與新能源發(fā)電方面的教學科研工作。

主持國家自然科學基金面上項目、國家自然科學基金青年項目（優(yōu)秀結(jié)題）等縱向課題11項，部分成果已應(yīng)用于陜西、新疆、廣東等地的工程項目。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、評價；曾獲中國電源學會科學技術(shù)一等獎、陜西省自然科學優(yōu)秀論文獎二等獎、中國電子學會自然科學獎三等獎、陜西省優(yōu)秀博士論文獎、ICPES青年科學家獎等榮譽；擔任多本學術(shù)期刊的編委、副編輯、客座編輯、客座副編輯以及多個學術(shù)會議的專題主席/獎勵委員會共同主席/程序委員會共同主席/技術(shù)委員會委員。

本工作成果發(fā)表在2023年第23期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“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校自然科學基金、寧夏自然科學基金和國家自然科學基金的支持。