基于无源控制的构网型换流器控制策略

摘要

【目的】在“双碳”目标推动下，高比例新能源并网导致系统惯量和阻尼特性削弱，严重威胁了电网稳定性。构网型虚拟同步机控制技术虽然能够主动为电网提供惯量支撑，但新能源系统复杂非线性特点使传统VSG控制在非理想工况下面临着角频率和输出电压失稳的风险，传统方法控制效果不理想。针对这一问题，提出一种基于无源控制的构网型换流器控制策略，突破传统线性控制方法的局限，提高系统动态响应性能、抗干扰能力和鲁棒性。【方法】采用非线性控制设计框架，根据VSG控制原理模拟同步发电机转子运动方程，实现有功频率调节，同时模拟励磁系统实现无功电压控制，建立了包含构网型控制的哈密顿系统模型。基于无源控制理论的核心思想，对建立的哈密顿模型进行数学变换，将其转化为具有端口特性的耗散哈密顿标准形式，该模型具备天然的稳定分析优势，可为控制器设计提供理论基础。同时，根据系统稳定运行需求，设定期望的工作平衡点。为加速系统能量向期望平衡点的耗散，有效抑制振荡并加快收敛速度，注入阻尼项，最终推导得到适用于构网型换流器的有功和无功控制律，实现非线性系统的全局渐进稳定。【结果】仿真测试结果表明，在功率变化、电网电压不平衡、短路故障以及负荷变化的非理想条件下，基于无源控制的构网型换流器控制策略在系统角频率的稳定性方面显著优于传统VSG控制，频率波动幅度明显变小，恢复至期望值的时间大幅缩短。输出电压的超调量降低，调节过程更为平滑，电压恢复稳定的速度更快，有效增强了电压稳定性。【结论】本文提出的基于无源控制理论的构网型换流器并网稳定控制策略，通过将无源控制理论引入到VSG控制设计中，建立了基于耗散哈密顿模型的非线性设计框架。本文设计了基于能量整型和阻尼注入的控制策略，所推导的控制律具有强鲁棒性，无需依赖精确系统模型即可适应复杂运行条件，有效解决了传统VSG控制在面对系统非线性特性时稳定性不足、动态响应慢的缺陷，突破了线性控制参数固化的局限性，为新能源并网系统提供了抗干扰能力强、动态响应快的控制策略，能够支撑新型电力系统稳定运行。

关键词

非理想条件 / 构网型控制 / 虚拟同步控制 / 无源控制 / 哈密顿模型 / 换流器 / 系统稳定性 / 控制策略