构网型变换器：控制方法、电网同步和未来趋势
构网型变换器：控制方法、电网同步和未来趋势
随着可再生能源发电占比的不断提高，电力系统中基于电力电子的发电设备比例也在迅速增加。这一趋势给电网的稳定性和可靠性带来了新的挑战。GFM变换器作为一种新型控制策略，有望在未来高比例可再生能源电力系统中发挥重要作用。本文将从控制结构、同步机制、故障穿越能力等多个角度，深入分析GFM变换器的特性及其在电力系统中的应用前景。
GFM变换器与GFL变换器的概念差异
GFM变换器和传统的跟网（Grid-Following，GFL）变换器在工作原理上存在本质区别。GFL变换器可以近似为具有高并联阻抗的受控电流源，而GFM变换器可以表示为具有低串联阻抗的电压源。这一差异决定了两种变换器在电网中的不同行为特性。GFL变换器通过控制注入电流来调节功率和电压，而GFM变换器直接控制输出端电压。这意味着GFM变换器能够更主动地参与电网电压和频率的调节。
在同步机制方面，GFL变换器需要一个专用的同步单元（如锁相环）来进行电流注入，而某些GFM实现可以自同步而无需专用单元。这使得GFM变换器在弱电网条件下具有潜在的优势。在面对电网扰动时，GFM变换器和GFL变换器的响应特性也有显著不同。GFL变换器会尝试维持注入电流的幅值和相位不变，而GFM变换器会表现出类似同步发电机的特性，能够更快速地响应电网扰动。
图1：GFL变换器和GFM变换器的简化表示
图2：两种变换器对电网电压扰动的不同响应
GFM控制算法的一般结构
GFM的实现可以归纳出一个通用的控制结构，主要包括外环控制和内环控制两个子系统。外环控制负责计算内部虚拟电压源的角度、频率和幅值，实现GFM变换器的基本特性，如电压和频率调节、功率分配等。内环控制则进行进一步的控制动作，产生适当的调制信号用于脉宽调制，主要负责确保变换器输出电压的质量和稳定性。
图4：GFM变换器的通用控制结构框图
这种分层控制结构使得GFM变换器能够同时兼顾电网层面的功率平衡和局部层面的电压质量控制。外环控制通过模拟同步发电机的特性，使GFM变换器能够自然地参与电网的频率和电压调节。内环控制则确保变换器能够精确跟踪外环给出的参考值，同时提供必要的过流保护等功能。
外环控制 - 有功-频率环
有功环负责计算内部虚拟电压源的频率和角度。主要实现方式包括下垂控制、功率同步控制（PSC）、增强型直接功率控制（EDPC）、同步功率控制（SPC）等。这些方法虽然在具体实现细节上存在差异，但都试图通过某种方式将GFM变换器的输出功率与电网频率和相角关联起来，从而实现自然的电网同步。
图5：不同有功-频率环的实现方式的控制框图
这些方法在性能特性上存在一定差异。下垂控制结构简单，易于实现，但动态响应较慢。PSC和EDPC能够提供较好的暂态稳定性，特别是在弱电网条件下。同步逆变器和SPC通过模拟同步发电机特性，可以为电网提供虚拟惯量支持。选择合适的功率同步方法需要综合考虑系统要求、电网条件和控制复杂度等因素。
外环控制 - 无功-电压环
电压调节子系统的常见实现方式包括下垂控制、基于PI控制器的方法和级联控制结构。下垂控制通过线性关系将电压幅值与无功功率偏差关联。基于PI控制器的方法直接使用PI控制器调节电压幅值或无功功率。级联控制结构则结合下垂和PI调节器，以实现更灵活的电压控制。
图6：不同电压轮廓管理方法的控制框图
这些方法在电压调节精度和动态响应特性上存在差异。下垂控制结构简单，但可能存在稳态误差。基于PI控制器的方法可以消除稳态误差，但参数整定相对复杂。级联控制结构结合了下垂和PI控制的优点，可以实现更灵活的电压调节。选择合适的电压轮廓管理方法需要考虑系统对电压调节精度和动态响应的要求，以及与其他控制环节的协调。
内环控制 - 调制信号计算
内环控制主要负责计算适当的调制信号用于脉宽调制。主要实现方式包括直接电压合成、电压幅值控制、单环电压矢量控制、双环电压矢量控制和具有虚拟阻抗的多环电压矢量控制。这些方法从简单的直接电压合成到复杂的多环控制，在控制结构和性能上存在显著差异。
图7：不同内环控制方法的框图
图8：采用不同内环控制方法的GFM变换器的输出阻抗特性和稳定性
这些方法在控制精度、带宽和稳定性等方面存在差异。直接电压合成和电压幅值控制结构简单，但控制精度有限。单环和双环电压矢量控制可以提供更高的控制精度和带宽。引入虚拟阻抗的多环控制可以改善系统阻尼特性，提高稳定性。选择合适的内环控制方法需要综合考虑控制性能要求、系统复杂度和计算负担等因素。
虚拟振荡器控制（VOC）
虚拟振荡器控制是一种非线性控制策略，使变换器复现弱非线性极限环振荡器的动态特性。VOC的主要优势在于允许变换器从任意初始条件开始相互同步，无需任何通信手段。主要的VOC实现包括基于范德波尔振荡器的VOC和基于安德罗诺夫-霍普夫振荡器的VOC。
图9：VOC实现的控制框图
VOC方法通过模拟非线性振荡器的动态特性，实现了GFM变换器的自然同步和功率控制。图10展示了VOC方法如何映射到前面讨论的通用GFM控制结构中。尽管VOC的工作原理与传统的下垂控制或同步发电机模拟方法不同，但其功能上仍可以分解为功率同步和电压调节两个主要部分。
VOC方法在动态特性和功率控制能力上存在一些独特优势。它能够实现多个变换器之间的自然同步，无需专门的同步单元。同时，VOC具有良好的大信号稳定性，能够在大扰动后快速恢复同步。通过引入功率控制环节，VOC还可以实现精确的功率调节。然而，VOC方法也面临一些挑战，如参数设计的复杂性和在某些条件下可能出现的非线性动态行为。选择使用VOC方法需要权衡其独特优势与实现复杂度。
开放问题与未来趋势
1. 同步稳定性
GFM变换器在不同短路比条件下保持与电网同步的能力是一个重要研究课题。研究表明，GFM变换器在低短路比电网中具有较好的同步能力，这是因为GFM变换器的功率同步机制在弱电网条件下表现出优势。然而，在高短路比电网中，GFM变换器可能出现失步现象，这是由于高短路比条件下，电压相角变化引起的功率波动较大，可能超出GFM控制器的调节能力。此外，内环控制与外环控制的相互作用会影响同步稳定性，内环控制的带宽和动态特性可能与外环功率同步环路耦合，影响整体稳定性。
图11：采用功率同步控制的GFM变换器在大扰动下的动态响应
为了提高GFM变换器的同步稳定性，未来的研究方向包括开发适用于宽范围短路比条件的鲁棒阻尼控制方法，研究内外环控制的耦合机制并设计合理的参数配置方法，以及探索新的同步机制，如虚拟振荡器控制，以提高系统的大信号稳定性。
2. 电流限制与故障穿越
由于GFM变换器的固有特性，电网故障可能导致不必要的过电流。主要的电流限制和故障穿越策略包括切换到矢量控制模式、虚拟阻抗技术和正负序电流分量限制。切换到矢量控制模式在故障发生时切换到传统的电流控制模式。虚拟阻抗技术通过引入虚拟阻抗限制故障电流，同时保持GFM特性。正负序电流分量限制则分别限制正负序电流分量，以应对不对称故障。
图12：采用正负序电流分量限制策略的GFM变换器在对称故障下的故障穿越性能
图13：采用正负序电流分量限制策略的GFM变换器在非对称故障下的故障穿越性能
结果表明，该方法能够在5ms内响应故障，有效限制故障电流，同时保持反应性功率支持能力。未来的研究方向包括开发更快速、更精确的故障检测方法，设计能够在各种故障类型下保持GFM特性的电流限制策略，以及探索利用GFM变换器特性提供更好的系统支持能力。
总的来说，GFM变换器技术在未来高比例可再生能源电力系统中具有广阔的应用前景。然而，要充分发挥其潜力，还需要在控制策略、稳定性分析、故障处理等多个方面进行深入研究。随着研究的不断深入和实际应用经验的积累，GFM变换器有望成为提高电力系统稳定性和可靠性的关键技术之一。