弱电网下基于虚拟同步机的并网逆变器短路电流抑制研究_王晓寰.pdf

第 42 卷 第 3 期2023 年 3 月电 工 电 能 新 技 术Advanced Technology of Electrical Engineering and EnergyVol.42,No.3Mar.2023收稿日期:2022-03-27基金项目:国家自然科学基金项目(52077191、62003297)作者简介:王晓寰(1980-),女,河北籍,教授,博士,研究方向为分布式发电系统、并网逆变器控制;闵 帆(1998-),男,湖北籍,硕士研究生,研究方向为并网逆变器的稳定性控制。弱电网下基于虚拟同步机的并网逆变器短路电流抑制研究王晓寰,闵 帆,张旭东,赵晓君(电力电子节能与传动控制河北重点实验室,燕山大学电气工程学院,河北 秦皇岛 066004)摘要:随着电力系统中新能源发电渗透率的提高,电网逐渐趋于弱电网,导致发电系统中低惯量、弱阻尼现象日益严重。虚拟同步机(VSG)技术可以提高惯量增加阻尼,保证系统在小扰动下的动态稳定性。然而高渗透率的电网系统为非无穷大系统,当网侧发生短路故障时,故障瞬间产生因非周期分量引起的暂态冲击电流,仅依靠传统的 VSG 控制无法有效地抑制短路电流,难以保证系统在大扰动下的暂态稳定性。针对以上问题,本文基于 VSG 暂态功角特性,提出了适用于弱电网的单位圆混合相量分析法,并结合提出的动态调节控制策略能够在电网阻抗波动时有效地抑制短路电流的稳态值和暂态冲击峰值,保证了系统的暂态稳定性。仿真和实验结果验证了本文所提控制方法的正确性和可行性。关键词:弱电网;虚拟同步机;三相短路故障;短路电流抑制;混合相量分析DOI:10.12067/ATEEE2203050 文章编号:1003-3076(2023)03-0013-10 中图分类号:TM4641 引言 电力系统的运行环境十分复杂,不仅存在因负荷切换导致的小扰动,同时也存在短路故障等大扰动。在强电网中,常常通过继电保护装置快速切除故障线路,或者在同步发电机的机端增加制动电阻达到消耗多余机械功率的作用。在弱电网下,虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator,VSG)技术可以提高惯量增加阻尼,该方法得到了广泛使用。目前针对 VSG 的研究主要是围绕小扰动下维持系统的动态稳定性展开1-3,并未考虑电网短路故障和电网阻抗波动对系统稳定性的影响。当电网故障后,由 VSG 控制的系统易发生暂态功角失稳现象,从而产生较大的短路电流。同时分布式发电系统不具备继电保护装置,无法切除故障线路,导致电力器件的损坏,甚至导致系统相继解列,影响电力系统的安全稳定性4-6。目前已有的研究主要是针对维持暂态功角稳定性和短路电流限制器展开。文献7研究了功角失稳与暂态过电压并存型送端系统的特性。文献8通过摇摆方程分析了并网逆变器功角失稳的原理,同时分析了虚拟同步机的暂态功角特性。文献9研究了同步发电机的暂态功角失稳机理以及虚拟同步机的暂态功角失稳机理的差异,在此基础上提出了一种短路电流抑制方法,同时加入电流限制器防止烧毁脆弱的电力电子器件。文献10分析了电流限制器对系统暂态功角的影响因素。文献11基于虚拟功角的概念,研究了基于电流限制器的下垂逆变器暂态功角失稳现象。但是以上研究并没有充分利用 VSG 控制的特性,同时也没有考虑弱电网下电网阻抗波动对系统暂态稳定性的影响。本文首先建立了弱电网下虚拟同步机的电力系统模型,并分析三相短路故障对系统稳定性的影响。然后基于暂态功角特性曲线,提出了一种有功指令调节和电压指令调节相结合的混合型控制方法,有效地抑制短路电流。结合电网阻抗波动对系统暂态稳定性的影响,提出了单位圆混合相量分析法,以及控制参数的优化设计方法。针对短路电流的暂态冲击分量,提出一种虚拟电阻的控制方法,有效地抑制了暂态冲击电流。通过以上研究,弱电网下 VSG 并网系统实现了短路故障抑制。最后,通过仿真和实验对理论分析的正确性和可行性进行了验证。14 电 工 电 能 新 技 术第 42 卷 第 3 期2 暂态功角分析2.1 故障线路特性分析 传统电力系统的等值电路如图 1 所示。E为同步发电机机端电压;Xd为同步发电机等效阻抗;XT1为输电用变压器等效阻抗;XL为输电线路等效阻抗;XT2为配电用变压器等效阻抗;U 为配电侧电压。图 1 传统电力系统的等值电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of conventional power system由图 1 可知,功角特性方程为12,13:Pe=EUX1sin(1)X1=Xd+XT1+XL+XT2(2)式中,为电力系统的功角;X1为故障前电力系统等效阻抗。当系统稳定时,电磁功率 Pe等于机械功率 PT。系统短路情况下的等值电路如图 2 所示,其中 X为短路等效阻抗。图 2 传统电力系统不对称短路故障时的等值电路图Fig.2 Equivalent circuit diagram of conventional powersystem with asymmetric short-circuit由图 2 可知:X2=X1+(Xd+XT1)(XL+XT2)X(3)式中,X2为短路故障后电力系统等效阻抗。由式(3)可知,短路故障导致系统的等效阻抗增大,使得短路故障时电磁功率 Pe=(EU/X2)sin 减小,导致 PT-Pe 0,致使功角增大。由传统电力系统类比到新能源发电系统中,可以得到新能源发电系统等值电路如图 3 所示。U0 为并网逆变器输出电压;R 为同步发电机等效阻抗;Xg为电网阻抗;Vg0 为电网电压。图 3 新能源发电系统等值电路图Fig.3 Equivalent circuit diagram of new energypower generation system系统稳定运行时并网电流 i2的表达式为:U0=Vg0+(R+jXg)i2i2=U0-Vg0R+jXg|(4)式中,并网电流 i2主要由逆变器输出电压值、电网电压值、电网阻抗值以及逆变器和电网的功角差决定。并网电流 i2与功角差、电网电压跌落值、逆变器输出电压值呈正相关,与电网阻抗值呈负相关。强电网系统出现短路故障这类大扰动时,由于不能瞬间改变转子的转速,只能通过系统的继电保护装置切出故障,避免对系统的冲击。但是在并网逆变器控制系统中,可以通过数字控制模拟转子机械方程,改变自身的输出机械功率 PT。当系统出现故障时,可以通过控制调节 PT达到瞬时降低转子转速的效果。2.2 基于 VSG 的暂态功角分析 电力系统的故障类型中以三相短路故障最为严重。本文针对单机系统三相短路电流展开。系统稳定运行时,虚拟同步机输出的有功功率和无功功率表达式为14-17:Pe=U0VgXgsin(5)Qe=Vg(Vg+U0cos)Xg(6)式中,Pe为负荷所需的有功功率;Qe为负荷所需的无功功率;U0为逆变器输出电压。由式(5)可知,电网发生短路故障后,电网电压Vg减小,导致逆变器有功输出 Pe减小,PT-Pe0,从而导致功角增大。同步发电机的功角特性曲线如图 4 所示。图 4 中,点 A 和点 A为功率平衡点,在暂态分析中只有系统运行于点 A 才能保持平衡。系统正常运行时功角特性曲线如图 4 中的曲线 1 所示,系统在点 A 时同步发电机输出的机械功率等于有功负荷所需的电磁功率,系统达到平衡。若此时发生三相短路故障,系统的功角特性曲线由曲线 1 降低到曲线 2,点 B 为故障时运行点,此时 PT-Pe0,过剩的机械功率导致转子的转速增大,运行点由点 B沿着曲线 2 过渡到点 C,此时借助继电保护装置切除故障,功角特性曲线由曲线 2 转变为曲线 3,运行点由点 C 转变到点 E,此时 PT-PeSDEF时,此时系统将失去稳定性16。对于同步发电机而言,可以通过采用一系列的继电保护装置达到减小 SABCD或者增大 SDEF的效果,维持系统的稳定。但是当故障较为严重并且继电保护的响应速度较慢时,导致故障切除角大于极限故障功角,系统解列。3 改进型短路电流控制策略3.1 动态有功指令调节 因机械功率 PT和电磁功率 Pe的差值导致逆变器输出电压和电网电压的功角增大从而引起的短路电流,加入动态有功指令调节的功角特性曲线如图 5 所示。本文采用动态有功指令调节的控制方法实时调节逆变器的输出机械功率,使其始终保持与电磁功率相同,维持系统平衡。由图 5 可知,有功指令调节后的虚拟同步机功角曲线中,SABCD减小,SDEF增大,提高了系统的暂态稳定性。传统电力系统的继电保护,当系统的切除角大于最大切除角时,SABCDSDEF,系统无法恢复,但是由虚拟同步机控制的并网逆变器可以通过算法自由给定有功指令值,并且电力电子器件的动态响应速度更快,极大地改善了最大切除角的问题。对虚拟同步机有功-频率环节进行改造,在固定的有功指令值中加入动态的功角控制,短路故障时其动态调节表达式为:Pref=Pref+K(7)图 5 有功指令调节后的功角特性曲线Fig.5 Power angle characteristic curve after activepower adjustment=(-0)dt(8)式中,Pref为故障时的有功给定值;Pref为有功给定初始值;为 VSG 的输出角速度;0为 VSG 的额定角速度;K 为动态调节系数;为功角差。由转子机械方程,可得故障时的不平衡转矩为:Jddt=Pref-Pe-K0+D(0-)(9)式中,J 为 VSG 的转动惯量;D 为 VSG 的阻尼系数。当系统稳定运行时,系统的输出功角为 0,输出电压为 U0,电网电压为 Vg0。此时系统输出的有功功率 Pe0为:Pe0=U0Vg0Zgsin0(10)式中,Zg=R+jXg。系统发生短路故障后,虚拟同步机功角输出变为 =0+,此时系统输出的有功功率 Pe0为:Pe0=UFVgFZgsin(0+)=UFVgFZg(sin0cos+cos0sin)(11)式中,UF为故障时逆变器的输出电压;VgF为故障时的电网电压;0,则 sin,cos 1,代入式(11)可化简为:Pe0=UFVgFZg(sin0+cos0)(12)由式(10)和式(12)可知:16 电 工 电 能 新 技 术第 42 卷 第 3 期Pe0-Pe0=K=UFVgFZgcos0(13)K=UFVgFZgcos0(14)由式(7)和式(14)得到动态调节有功指令值控制框图,如图 6 所示,图 6 中,Pm为 VSG 有功功率的指令值,g为电网工频角速度。图 6 动态调节有功指令值调节控制框图Fig.6 Control block diagram of dynamic regulationactive power regulation图7 呈现了电网电压Vg、逆变器输出电压U0、短路电流和电网阻抗 Xg之间的相量关系。前提条件认为 Xg保持恒定。初始稳态运行时 Vg、jXgI1和 U0构成相量三角形,此时逆变器输出电流为 I1;当系统发生短路故障时,电网电压降低至 Vg1,系统功角增大,改变了 U0的相位角度但是没有影响 U0的幅值得到U01,逆变器输出电流由 I1增大到 I2,此时由 Vg1、jXgI2和 U01构成相量三角形;故障期间加入动态有功调节控制后,功角恢复到额定值,逆变器输出电压由U01回到初始值 U0,逆变器输出电流由 I2减小到 I3,此时由Vg1、jXgI3和U0构成相量三角形。逆变器输出电流的大小关系为:I2 I1 I3。3.2 动态电压指令调节 3.1 节动态有功调节短路电流保证了逆变器功角的恒定,本节在此基础上加入动态电压调节,其相量分析图如图 8 所示,前提条件认为电网阻抗 Xg保持恒定。当系统发生短路故障时,电网电压降低至Vg1,通过动态有功调节维持系统功角恒定,逆变器输出电流增大到 I1,此时由 Vg1和 jXgI1以及 U0构成相量三角形;若电网电压降低至 Vg2,逆变器输出电图 7 有功指令调节控制功角的相量分析图Fig.7 Vector analysis chart of active powerregulation control angle流由 I1增大到 I2,此时由 Vg2和 jXgI2以及 U0构成相量三角形;若加入动态电压调节控制,将逆变器输出电压由 U0降低至 U01,逆变器输出电流由 I2减小到I3,此时由 Vg2和 jXgI3以及 U01构成相量三角形;逆变器输出电流的大小关系为:I2I1I3。图 8 暂态短路电流抑制的相量分析图Fig.8 Vector analysis of transient short-circuitcurrent suppression通过动态调节电压指令,可以更大限度地达到抑制短路电流的作用,补充了动态调节有功指令的不足,维持了系统的暂态稳定性。3.3 单位圆混合相量分析法 结合 3.1 节动态有功指令调节和 3.2 节动态电压指令调节,考虑弱电网下电网阻抗对短路电流的影响,提出单位圆混合相量分析法,依据该分析法来设计动态有功调节和动态电压调节的混合算法,并给出控制参数计算方法。相量分析图如图 9 所示。图 9 中,当系统稳定运行在点 A 时,此时的电网阻抗为 Xg,通过前文的分析可知,当电网电压发生跌落时,可以通过动态有功调节和动态电压调节共同作用有效地抑制短路电流,并且保证功角范围,维持系统平衡。正常工作时,由 Vg、jXgI1和 U0构成稳王晓寰,闵 帆,张旭东,等.弱电网下基于虚拟同步机的并网逆变器短路电流抑制研究J.电工电能新技术,2023,42(3):13-22.17 图 9 单位圆混合相量分析图Fig.9 Mixed-phase analysis of unit circle定运行的相量三角形,当电网电压由 Vg降落至 Vg1时,由 Vg1、jXgI2和 U01构成新的稳定运行的相量三角形。故障前功角表达式为:cosN=U0Vg(15)有功指令调节保证故障前后功角恒定,故障后功角表达式为:cosN=U01Vg1(16)设 Vg1=kVg,根据相似定理有:Vg1Vg=U01U0=k(17)逆变器输出电压比例和电网电压压降比例相同,不仅有效地抑制了短路电流,而且确保系统一直保持在最佳的运行状态。当电网阻抗由 Xg增大到 Xg1时,系统的稳定运行点由点 A 转移到点 B,此时逆变器输出电流并未增大,但因为电网阻抗的增大,导致公共耦合点电压产生压降,增大了功角差,严重影响系统的稳定性。为了保证弱电网下电网阻抗在宽范围波动时系统运行的稳定性,需要采用动态有功调节的方法,使逆变器输出电流由 I1减小到 I2,防止功角随电网阻抗的增大而增大。由相似定理可知,要使系统恢复最佳运行状态,需要采用动态电压调节方法,因此需要解除 VSG 中无功-电压控制关系,使逆变器输出电压由 U04增大到 U01,更加有效抑制短路电流值。在弱电网阻抗变化下,单位圆混合相量分析法能有效地判断出暂态功角变化,进而给动态有功和动态电压调节提供控制方向,最终达到抑制短路电流的效果。3.4 暂态冲击短路电流抑制 短路故障期间,采用 3.3 节单位圆混合相量分析法虽能有助于抑制稳态短路电流,但并不能抑制暂态冲击短路电流。当短路故障发生时,本文加入虚拟电阻控制环节,当暂态冲击电流小于 1.3 倍初始稳态电流的安全阈值时,虚拟电阻退出运行。设定虚拟电阻为 Rv,在虚拟电阻上流过的电流值为:iFv=Vg-VgFRv(18)式中,iFv为虚拟电阻上流过的电流值;Vg为正常运行时的电网电压。将虚拟电阻流过的电流与虚拟同步机输出的电流指令叠加得到控制信号,动态控制虚拟同步机的输出电流。在虚拟电阻作用下,电流环的控制框图如图 10 所示,图 10 中,iref为并网电流指令值,Kp为调制系数。图 10 加入虚拟电阻后电流环的控制框图Fig.10 Control block diagram of current loopwith virtual resistor4 仿真与实验验证4.1 仿真验证 在 Matlab/Simulink 中搭建仿真平台并在实验室中搭建单机三相并网逆变器系统实验平台,验证上述理论分析的正确性,主要仿真参数见表 1。表 1 仿真平台参数Tab.1 Simulation platform parameters参数数值参数数值额定有功功率 P0/kW19直流侧电压 Udc/V700电网电压 Vg/V220额定输出电流 i2N/A56.75逆变器侧电感 L1/mH2滤波电容 C/F10网侧电感 L2/mH0.3电网阻抗 Zg1/mH3电网阻抗 Zg2/mH6开关频率 fs/kHz20PI 调节器参数 Kp0.023 34PI 调节器参数 Ki65.53虚拟电阻 Rv/0.67有源阻尼系数 H10.05转动惯量 J0.002 83阻尼系数 D8.552 3518 电 工 电 能 新 技 术第 42 卷 第 3 期 仿真如图 11 所示,在并网逆变器发生短路故障时立即加入虚拟电阻来抑制第一周期的暂态冲击电流,使该冲击电流不超过短路故障时电流稳态值。图 11 加入虚拟电阻调节的仿真图Fig.11 Simulation diagram of adjustment byadding virtual resistance由图 11 可知,0.2 s 进入短路故障状态,电网电压跌落至 0.6 倍初始稳态值,通过虚拟电阻控制,暂态冲击电流得到了有效抑制,其值小于故障时短路电流稳态值,短路电流稳态值达到 1.5 倍的初始稳态电流值。在虚拟同步机暂态功角特性分析的基础上加入动态有功调节,仿真图如图 12 所示。图 12 加入动态有功调节的仿真图Fig.12 Simulation chart with dynamicactive power regulation图 12 在0.2 s 时电网电压降低至0.6 倍的初始稳态电压值,此时发现逆变器输出电流突变至 1.5倍的初始稳态电流值,超过电流安全阈值。图 12 在 0.4 s 时加入动态有功指令调节,将短路电流抑制到 0.8 倍的初始稳态电流值;图 13 在0.4 s 时加入有功功率指令值调节和无功电压指令调节,将短路电流抑制到 0.4 倍的初始稳态电流值。与图 12 对比可知,在动态有功指令调节的基础上加入无功电压指令调节可以更大幅度地降低短路电流值。图 13 加入动态有功调节和无功电压调节仿真图Fig.13 Simulation diagram of adding dynamic activepower regulation and dynamic voltage regulation由图 12 和图 13 可知,系统在短路发生的瞬间,短路电流的第一周期存在短路电流的暂态峰值,严重影响系统的稳定性,图 14 为同时加入有功功率指令调节、无功电压指令调节和虚拟电阻控制方法的仿真图。0.2 s 系统电网电压降低至 0.6 倍稳态电压值,同时加入虚拟电阻 Rv=0.67,暂态冲击电流被有效抑制(短路电流第一周期的暂态峰值与稳态峰值保持一致),0.20.4 s 在故障状态下运行。0.4 s 加入有功功率指定值调节和无功电压指令调节,将短路电流抑制到 0.6 倍初始稳态电流值。图 14 加入动态有功、无功电压调节和虚拟电阻的仿真图Fig.14 Simulation diagram of adding dynamic active power anddynamic voltage regulation and virtual resistance由图 14 与图 12、图 13 对比可知,采用加入虚拟电阻的控制方法可以有效抑制短路电流的暂态冲击电流,确保系统的安全稳定运行。王晓寰,闵 帆,张旭东,等.弱电网下基于虚拟同步机的并网逆变器短路电流抑制研究J.电工电能新技术,2023,42(3):13-22.19 4.2 实验验证 图 15 为单机三相并网逆变器实验平台中的主电路部分,其中包括了直流侧稳压电容、开关管、网侧电感、逆变器侧电感和滤波电容等器件。图 15 实验平台主电路Fig.15 Main circuit of experimental platform图 16 为实验平台的控制电路部分,主要由TMS320F28335 型号的 DSP 和 EP3C25Q240C8N 型号的 FPGA 构成。图 16 实验平台控制电路Fig.16 Control circuit of test platform当系统运行时,主电路通过霍尔元件将电压、电流信号输送至采样电路,经过采样电路对霍尔元件输出信号进行电平变换,最后将采样电路的输出信号输入到 DSP 中,实现对系统的控制。图17 为系统的程序流程图。图17 中,VgN为电网额定电压,V为故障电压波动范围,fgN为电网额定频率,fg为电网频率,f为故障频率波动范围。首先检测功角差是否超过额定值,再检测电网电压是否发生短路故障,当电网电压压降大于设定范围5%时,判定为短路故障,因此加入混合控制方法和虚拟电阻,当短路电流小于 1.3 倍初始稳态电流时,虚拟电阻退出运行,有效地抑制了短路电流稳态值和暂态冲击峰值,当电网电压压降小于设定值时,判定为因电网阻抗波动引起的功角失稳,因此只图 17 控制程序流程图Fig.17 Flow chart of control program加入动态有功指令调节。若功角波动在设定范围内,则检测电网频率波动是否超过设定值,若超过设定值,则加入混合控制方法和虚拟电阻。VSG 并网逆变器在系统发生短路故障时出现暂态冲击电流,需要立即加入虚拟电阻。图 18 为仅加入虚拟电阻控制的逆变器输出电流波形,在系统发生短路故障时短路电流第一周期内未出现暂态冲击峰值大于稳态值,即加入虚拟电阻控制可有效抑制暂态冲击电流,但故障电流的稳态值大于初始稳态值,有待改进。图 18 仅加入虚拟电阻控制的输出电流波形Fig.18 Output current waveform with only addingvirtual resistance control图 19 为短路故障前后电网电压的输出波形图。采用动态有功调节抑制方法后逆变器输出电流波形如图 20 所示,逆变器输出功角和逆变器输出有功功率波形如图 21 所示。由图 19 和图 20 可知,系统运行在 2 s 时,电网电压跌落至 0.8 倍初始电压值,采用动态有功调节将短路电流有效地限制在 1.3 倍的20 电 工 电 能 新 技 术第 42 卷 第 3 期初始稳态电流,同时虚拟电阻 Rv=0.67 有效地抑制了暂态冲击电流,由图 21 可知,故障前后功角稳定值始终保持在初始额定功角,避免了功角增大造成的功角失稳,验证了仿真结果的可行性。图 19 故障穿越时电网电压波形Fig.19 Voltage waveform of power grid whenfault passes through图 20 采用动态有功调节时输出电流波形Fig.20 Output current waveform with dynamic activepower regulation suppression method图 21 采用动态有功调节时功角输出和有功输出波形Fig.21 Waveforms of power angle output and active poweroutput with dynamic active power regulation method若电力系统中发生严重的短路事故时,短路电流的峰值可以达到正常稳态值的 68 倍,暂态电流峰值也可能达到 2.55 倍的短路电流幅值,只通过动态有功调节难以达到抑制短路电流的效果,此时需要加入动态电压调节,同时加入虚拟电阻抑制暂态冲击分量。电网中存在诸多的不确定性,难免在短路故障时不发生其他故障,因此仅将短路电流抑制在 1.3 倍的稳态电流无法有效地保证系统的安全性。所以需要采用提出的混合控制方法(即同时加 入动态有功和动态电压调节),使得短路电流的稳态值小于初始稳态值,以保证系统的暂态稳定性,如图 22 和图 23 所示。图 22 电网阻抗为 3 mH 时输出电流和电网电压波形Fig.22 Output current and voltage waveforms withgrid impedance of 3 mH图 23 电网阻抗为 3 mH 时逆变器功角和有功波形Fig.23 Inverter power angle and active waveform withgrid impedance of 3 mH图 22 和图 23 为电网电压降落到 0.6 倍初始稳态值时逆变器输出电流、逆变器输出功角和逆变器输出有功功率的波形图,电网阻抗为 3 mH。当电网电压降落到 0.6 倍初始稳态值时,加入混合控制法,此时电压指令值也降低为 0.6 倍的额定指令值,虚拟电阻 Rv=0.67,有效地抑制了短路电流。与图20 对比可知,同时采用动态有功调节和动态电压调节能更有效地抑制短路电流。图 24 和图 25 为电网电压降落到 0.6 倍初始稳态值时逆变器输出电流、逆变器输出功角和逆变器输出有功功率的波形图,此时电网阻抗变为 6 mH。加入混合控制策略,虚拟电阻 Rv=0.67。与图 22和图 23 对比可知,系统的电网阻抗越大,系统的动态响应速度越慢,在相同的功角下,短路电流的稳态值越小,逆变器输出有功越小。这是因为电网阻抗增大会引起功角增大,需要更大幅度地减小有功指令值,确保功角始终维持在初始功角值。同时也验证了混合相量分析法能有效地判断出弱电网下电网阻抗波动对暂态功角稳定性的影响。王晓寰,闵 帆,张旭东,等.弱电网下基于虚拟同步机的并网逆变器短路电流抑制研究J.电工电能新技术,2023,42(3):13-22.21 图 24 电网阻抗为 6 mH 时输出电流和电网电压波形Fig.24 Output current and voltage waveformswith grid impedance of 6 mH图 25 电网阻抗为 6 mH 时输出功角和有功波形Fig.25 Inverter power angle and active waveform withgrid impedance of 6 mH5 结论 本文针对逆变器单机系统在三相短路故障时的暂态稳定性问题,基于同步发电机的功角特性曲线提出了一种混合型控制策略,有效地抑制了短路电流的稳态值和暂态冲击峰值,同时适用于电网阻抗宽范围变化下的弱电网,并通过仿真和实验验证了理论分析的可行性,得出如下结论:当电网电压下降为 0.6 倍初始值时,采用不同抑制方法具有以下特性:(1)通过有功指令动态调节,可以有效地维持暂态功角保持不变,减小逆变器输出电压和电网电压的相角差,有效地将短路电流稳态值抑制到 0.8倍电流初始稳态值,但是当电网电压降落较大时,抑制效果较差。(2)电压指令动态调节能有效地弥补有功指令动态调节的缺陷,二者共同作用能将短路电流抑制到 0.4 倍电流初始稳态值。(3)提出的单位圆混合相量分析法能有效地判断出弱电网下电网阻抗波动对暂态功角稳定性的影响,进而给动态有功调节和动态电压调节提供控制方向,最终达到抑制短路电流的效果,保证系统的暂态稳定性。(4)虚拟电阻法能有效抑制故障瞬间产生的短路电流冲击分量,保证故障时第一周期暂态冲击电流不超过短路电流稳态值,但不能有效地抑制短路故障的稳态电流。如在此基础上加入动态有功和电压调节,则可进一步将短路电流稳态值抑制到 0.6倍电流初始值。参考文献(References):1 盛万兴,吕志鹏,崔健,等.虚拟同步机运行区域计算与 参 数 分 析 J.电 网 技 术,2019,43(5):1557-1565.Sheng Wanxing,Lv Zhipeng,Cui Jian,et al.Calculationand parameter analysis of virtual synchronous machine op-eration area J.Power System Technology,2019,43(5):1557-1565.2 李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用 M.北京:中国电力出版社,2009:28-44.Li Jicheng.Design and application of modern synchronousgenerator excitation system M.Beijing:China ElectricPower Press,2009:28-44.3 高娟,秦岭.虚拟同步发电机的输入阻抗建模及稳定性分析 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