考虑不同控制模式的柔直换流站频率控制方法对比研究

魏力超，王晨轩，章泽磊，汪 震

（浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027）

0 引 言

近年来，为了实现2030年前二氧化碳排放达峰、2060年前碳中和的目标[1，2]，我国正逐步构建高比例新能源、高比例电力电子设备的新型电力系统。随着在新型电力系统中电力电子变流器占比的不断增加，传统电网特性正在发生转变[3，4]。在高比例电力电子设备的电力系统中，电压源型变流器的占比正快速攀升，并在实际工程中得到了充分认可。尤其是，基于电压源型变流器的柔性直流输电技术具有响应速度快、控制灵活、输出谐波少、适合向无源系统供电等优势，已经得到了广泛的应用[5-7]。我国柔性直流输电技术发展极其迅速，并取得了多项成功案例[8]。

电压源型变流器的控制模式可以分为跟网型（grid-following，GFL）和组网型（grid-forming，GML）[9]。目前的电压源型变流器一般采用跟网型控制，跟网型变流器利用锁相环（phase locked loop，PLL）跟踪交流电网电压来提供输出电压的相位角，实现与电网的同步。电力电子设备的大量接入会导致电网强度大幅度降低[10]，而电网强度对锁相环的控制性能有着重要影响。特别是系统短路比（short circuit ratio，SCR）常被用来描述电网的强度[11]。文献[12]的研究结果表明，在弱电网下锁相环与电流控制会出现严重的耦合现象，对电流控制的稳定裕度造成较大影响，一个小的扰动就会引起电网频率的较大波动和偏差。为了改善跟网型变流器的频率响应，学者们提出了基于PLL的下垂控制[13]和基于PLL的虚拟同步发电机（virtual synchronous generator，VSG）控制[14]等改进的跟网型控制方法。但是，在弱电网下这些方法依旧会降低变流器的稳定性，引起频率振荡等问题。

针对跟网型变流器存在的问题，能够在弱电网下为提供系统可靠频率支撑能力的组网型变流器被提出[15]。组网型变流器最初被设计为定电压/频率（VF）控制，它作为一个理想的电压源，能够形成稳定的交流电压，但由于输出的电压和频率恒定，只能应用于无源电网[16]。当其应用于有源电网时，需在VF控制的基础上增添功率控制外环，组网型变流器的基本思想在于通过调节功率从而输出电压幅值和相位的给定值，因此不需要借助锁相环便可实现同步。目前，应用最为广泛的是组网型下垂控制[17]，另外还有匹配控制[18]、虚拟振荡器控制[19]等非线性控制方法。

随着柔性直流系统中换流站容量的不断增大，使其参与交流电网的频率调节具有重要意义。目前的柔性直流系统中大多数采用跟网型换流站，无法灵活地参与系统调频，在弱电网下可能会有更严重的稳定问题[20]。在柔性直流输电系统中应用组网型换流站，能够改善系统在弱电网的频率稳定性。

对于柔性直流系统参与交流电网调频的控制策略，国内外许多学者已经进行了相关研究。文献[21]提出了一种基于频率下垂思想的控制策略，并在两端柔性直流系统中验证了方法的可行性。文献[22]通过添加虚拟惯性环，在下垂系数中考虑了频率偏差，能够在一定程度上稳定频率，但是无法实现频率的无差控制。文献[23]采用下垂控制、VSG控制等控制策略，加快了柔性直流系统的功率调节速度，有益于交流系统间进行频率支援。文献[24]对柔直换流站参与系统调频的VSG方法进行了研究，同时对直流电压进行了协调控制，进一步提高了系统的可靠性。文献[25]为了改善柔直换流站参与调频过程中的暂态波动，将自适应虚拟惯性控制应用到柔性直流输电系统。文献[26]提出一种无需锁相环的换流站控制方式，使柔直换流站对交流电网体现为电压源，解决了柔性直流系统并入弱电网的谐振问题。

本文针对柔性直流系统连接弱电网时由于跟网型换流站中锁相环的非线性引起的频率稳定性问题，提出了无需锁相环的组网型VSG控制策略。该控制策略在换流站输出的有功功率、无功功率与交流电网的频率、电压之间建立了一定的函数关系，并且不依赖锁相环跟踪系统频率，使得柔性直流系统在弱电网下拥有良好的频率调节能力。最后，在PSCADEMTDC仿真平台上搭建了三端VSC-MTDC系统对所提控制策略的有效性进行了验证。

1 跟网型柔直换流站频率控制策略

典型的跟网型变流器的等效电路如图1所示[9]，其外特性表现为与阻抗Z并联的受控电流源，其中P*和Q*分别表示变流器输出有功功率和无功功率的参考值；V1为交流电网电压。跟网型变流器通过控制输出电流来控制其输出功率。

图1 跟网型变流器的等效电路

1.1 跟网型变流器控制结构

跟网型变流器的控制结构如图2所示。图中，变流器控制结构由以下几部分组成：采样、锁相环、功率控制外环、电流控制内环以及PWM发生器。

图2 跟网型变流器的控制结构

变流器采样得到的信号均存在于三相abc静止坐标系中，为了简化控制器的设计，变流器通常在两相dq旋转坐标系中控制。为此，首先需要通过如式所示的变换矩阵对采样信号进行坐标变换。

其中，锁相环通过跟踪交流电网电压获得的相位角θ作为坐标变换时使用的坐标角。功率控制外环根据不同的控制要求调节不同的变量，包括有功功率、无功功率、直流侧电压和交流侧电压，其输出值被作为电流控制内环的输入信号。电流控制内环通过比例积分控制器（PI）调节输出电流，以获得变流器的调制信号。

1.2 基于PLL的下垂控制

基于PLL的下垂控制是应用最为广泛的换流站控制策略，其控制框图如图3所示[13]。其中，m和n分别为有功—频率下垂系数和无功—电压下垂系数，L和C分别是滤波电感和滤波电容；ω0是额定频率，V2为换流站的输出电压，δ是功率角，下标d和q分别代表d轴和q轴分量。

图3 基于PLL的下垂控制结构

采用基于PLL的下垂控制的换流站可以对电网扰动做出响应，具有参与交流电网频率调节的能力。但其仍然作为受控电流源运行，没有独立运行能力，在弱电网中，由锁相环引起的固有的频率稳定性问题仍然是一个潜在的风险。

1.3 基于PLL的VSG控制

基于PLL的下垂控制不具备同步发电机的惯性和阻尼特征。为此，在基于PLL的下垂控制的基础上增加了一个虚拟惯性环，提出了一种基于PLL的VSG控制。VSG控制技术通过模拟同步发电机机械和电磁部分，旨在为电网提供惯性支持[14]，由于模拟了同步发电机的运行特性，所以其天然具有参与交流电网频率响应的能力[27-29]。

基于PLL的VSG控制框图如图4所示。其虚拟惯性控制是根据同步发电机的转子运动方程设计的：

图4 基于PLL的VSG控制结构

其中，ω为换流站的输出频率，Pm和Pe分别模拟同步发电机的机械功率和电磁功率，Tm和Te分别模拟同步发电机的机械转矩和电磁转矩，J为虚拟转动惯量；DP为阻尼系数，J的存在使VSG在频率动态过程中具有了虚拟惯性，DP的存在使VSG对频率振荡具有阻尼作用。在初始稳定状态下，Pm=Pe=P0，P0为额定功率。假设Pm保持不变，式（2）可以表示为：

上式反映了电磁功率变化ΔPe和频率ω之间的动态特性，其中ΔPe包括惯性项（ΔPi）和阻尼项（ΔPd）。将功率变化ΔPe添加到额定功率P0中以调节换流站输出的有功功率从而实现对频率扰动的抑制。

1.4 跟网型换流站的同步原理

跟网型换流站主要采用电流源形式进行并网，同步过程需要依赖锁相环追踪外部电网的相位信息，并通过对注入电流的控制来控制功率输出。锁相环是一个闭环反馈控制系统，能够直接采集外部电网的相位信号，并将输出相位和参考相位的差值降到最低。如图5所示，典型的锁相环包含鉴相器（phase detector，PD），环路滤波器（loop filter，LF）和压控振荡器（voltage controlled oscillator，VCO）三个模块[30]。

当锁相环开始工作时，参考信号的频率与VCO的固有振荡频率不同。因此，它们的相位差不断变化。特别地，PD的特性周期为2π，因此PD输出的电压偏差量会在一定范围内波动。这个电压偏差量通过LF转换成控制电压加到VCO上，使VCO的输出频率趋向于参考信号的频率，直到两者完全相等，锁相环达到平衡。两个频率之间的相位差不再随时间改变，这时锁相环处于“锁定”状态。当参考信号发生改变时，VCO的输出频率随之改变，使锁相环重回“锁定”状态，这一动态过程即为“跟踪”过程。

2 组网型柔直换流站频率控制策略

组网型变流器与跟网型变流器的工作特性不同，它表现为与阻抗Z串联的可控电压源，能够直接控制输出电压以控制输出功率，其等效电路如图6所示[31]。其中，V*和ω*分别表示变流器电压幅值和频率的参考值；V1为交流电网电压。相比于跟网型变流器，组网型变流器的电压源特性和同步策略使其在弱电网中有更好的稳定性。

图6 组网型变流器的等效电路

2.1 组网型变流器控制结构

组网型变流器的控制结构如图7所示，组网型变流器的采样、电压和电流控制以及PWM发生器与跟网变流器相同，在电压/电流控制内环上的控制方法与跟网型变流器也是一致的。组网型控制通过调节功率输出，给定一个电压幅值V和相位θ的设定值，该相位角θ可以看作是同步信号，作为组网型变流器中坐标变换时使用的坐标角，该电压幅值和相位被用作电压和电流控制内环的给定值。最后，电压和电流控制内环输出一个调制信号通过PWM发生器产生功率器件的触发信号。

图7 组网型变流器的控制结构

2.2 组网型VSG控制

针对采用跟网型VSG控制的换流站在连接弱电网的情况下可能会因为锁相环的非线性对系统频率稳定性带来的影响，组网型VSG控制策略被提出。与图3所示的基于PLL的VSG控制原理类似，组网型VSG控制技术的控制思想同样来源于式（4）的传统同步发电机运行特性。

组网型VSG的有功—频率控制模拟同步发电机的转子运动特性和调速器一次调频过程，其表达式如下所示：

图8中有功—频率控制通过有功功率参考值P0与实际值Pe的偏差量实现对组网型VSG控制中虚拟转速ω的调整，进而利用积分器得到输出电压的相位参考值θ，实现组网型VSG控制的自同步。组网型VSG电压相位参考值的产生过程并未使用锁相环，避免了连接弱电网的情况下锁相环对系统频率稳定性带来的不利影响。

图8 具有惯性和阻尼特性的的有功—频率控制

组网型VSG的无功—电压控制模拟同步发电机的励磁调节过程。传统同步发电机通过改变励磁电流来改变感应电动势幅值，而组网型VSG通过检测无功功率偏差和电压偏差来调节输出电压幅值E，如式（5）所示。图9给出了无功—电压控制的控制框图。

图9 无功—电压控制

其中，En是换流站空载运行时的机端电压，V、V0分别是换流站并网点处的交流电压的实际值和参考值；Qe、Q0分别是换流站输出的无功功率的实际值和参考值；kq表示无功调节系数；kv表示电压调节系数。

2.3 组网型换流站的同步原理

组网型换流站主要采用电压源形式进行并网，与传统的同步发电机类似，组网型换流站通过调节其输出有功功率实现与电网同步，下面简要说明其功率同步原理：

定义并网点电压超前于交流电网电压的相位差为δ，δ变化的过程即为组网型换流站与电网的同步过程，与同步发电机转子运动方程类似，对δ的控制如下所示：其中P*和P为换流站输出有功功率的参考值和实际值。假设初始状态下P*＞P，那么＞0，δ逐渐增大；P与δ呈正相关关系，因此P*与P之间的差值逐渐减小，直至P*=P，此时组网型换流站和交流电网的频率一致，电压相位差δ不再改变，完成同步过程。

3 两种控制模式的换流站的区别

综上所述，跟网型和组网型换流站主要存在以下三方面的区别：（1）电网扰动响应；（2）同步方式；（3）适用条件。

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3.1 电网扰动响应的区别

当电网发生扰动时，由于其固有的电流源特性，跟网型换流站在扰动瞬间将保持输出电流恒定，在锁相环重新追踪到外界频率之前，换流站的输出电压不可避免地会发生突变；由于其固有的电压源特性，组网型换流站的内电势在扰动瞬间将保持恒定，这种快速反应优于跟网型换流站，但根据扰动大小和系统特性的不同，可能会导致换流站输出电流的突变，从而危及硬件组件。

3.2 同步方式的区别

跟网型换流站的同步过程需要依赖锁相环追踪外部电网的相位信息，而在弱电网下，跟网型换流站中的锁相环无法较好地追踪系统频率，在频率事件发生初始阶段，锁相环输出的高频振荡成分，容易对系统频率造成较大冲击，严重情况下，可能影响系统的安全稳定运行；对于组网型换流站，其不需要追踪外界频率而是通过功率信号实现同步，可以较好地适应弱电网。

3.3 适用条件的区别

跟网型换流站在强电网下具有较好的稳定性和快速的功率响应能力。然而在弱电网下，锁相环与电网阻抗之间存在强耦合，电网电压前馈和高带宽的锁相环控制会降低系统的稳定裕度[32]。组网型换流站的电压源特性和功率同步策略使其在弱电网中更稳定，能够轻松地在弱电网中保持同步。同时，还具有对电网频率的支撑作用，调频过程的时延短、响应快。然而，在强电网下，组网型换流站功率控制环的动态欠阻尼特性会导致系统不稳定。

4 仿真分析

4.1 仿真系统搭建

为比较跟网型和组网型换流站在柔性直流系统连接弱电网时的调频特性，本文基于PSCAD/EMTDC搭建了如图10所示的三端VSC-MTDC仿真系统，受端电网SCR=2，是一个弱电网。换流站主要参数如表1所示。为简化分析，假设直流线路压降忽略不计，认为所有换流站均工作于同一直流电压下。根据最大偏差10%的规定，直流电压的稳定运行范围是380～420 k V。

表1 换流站主要参数

图10 三端VSC-MTDC仿真系统

图10中，VSC1与送端大电网AC1相连，采用定有功功率、定无功功率的控制方式，设定输出有功功率500 MW，无功功率0 MVar。VSC2和VSC3与由同步发电机和负荷构成的交流系统AC2和AC3相连，设定VSC2输出有功功率-300 MW，无功功率0 MVar；设定VSC3输出有功功率-200 MW，无功功率0 MVar。其中VSC2与VSC3采用相同的控制方式，可选的控制策略有：

1）跟网型VSG控制（图中以黑线表示）；

4.2 仿真验证

当t=2 s时刻，交流电网AC2负荷增加30 MW，VSC2和VSC3采用两种不同控制方法下的仿真结果如图11所示。

如图11（a）黑实线所示，当VSC2和VSC3采用跟网型VSG控制时，AC2的频率下降到49.36 Hz，且在扰动发生的5 s后AC2的频率才逐渐回升，恢复频率稳定的时间是30 s左右，系统达到稳态时的频率偏差为0.1 Hz。如图11（a）红实线所示，当VSC2和VSC3采用组网型VSG控制时，AC2的频率下降到49.50 Hz，且在扰动发生的3 s后AC2的频率便逐渐回升，恢复频率稳定的时间是25 s左右，系统达到稳态时的频率偏差为0.05 Hz。

仿真结果表明，在弱电网下组网型控制相较于跟网型控制有更快的频率响应速度，能够减小系统发生扰动时的频率波动，使系统更快达到稳定状态，且稳态时的频率偏差更小，仿真结果与前文理论分析一致。

如图11（e）所示，当换流站采用组网型VSG控制时，发生负荷扰动后系统的直流电压在调频过程中下降到391.9 kV，直流电压的偏差量作为传递频率偏差量的媒介，直流电压的变化在VSC3对AC2的负荷扰动进行频率支援的过程中是不可避免的，因此当负荷扰动进一步增大时，在频率调节过程中增加对直流电压波动的限制是必须考虑的。

图11 AC2负荷增加30 MW仿真波形

5 结论和展望

本文对基于电压源型变流器的柔性直流输电系统中换流站的跟网型控制和组网型控制进行比较，针对跟网型VSG控制在弱电网下存在的频率稳定控制问题，提出了无需PLL的组网型VSG控制策略，组网型控制通过直接调节输出功率来实现与电网的同步，在弱电网下有更好的稳定性。最后搭建了一个三端柔性直流输电系统进行仿真验证了所提控制策略的有效性。理论分析和仿真验证均表明，跟网型和组网型换流站之间有着本质的区别，跟网型换流站在强电网下有较好的稳定性；而组网型换流站在弱电网中有较好的稳定性和较强的电网支撑能力。