用户与研究成果简介：

SFU（西蒙弗雷泽大学）Wang Jiacheng教授科研团队，针对矢量控制电压源转换器（VSC）接入弱电网（WG）可能引起系统震荡不稳定的问题，提出了一种新颖的补偿方法来减轻接入弱电网的VSC动态不稳定性。该方法通过小信号分析方法搭建了VSC-WG系统的全阶状态空间模型，然后对系统进行模态分析，确定参与影响因子以表征系统主导模态的影响状态，最后进行灵敏度分析，评估矢量控制增益和其他参数对主导模态的影响。该研究利用上海远宽的StarSim电力电子小步长实时仿真器进行半实物仿真实验，通过实验结果验证了小信号分析的正确性，验证了所提出的补偿方法的有效性，并把成果总结发表于SCI 3区《IEEE Access》：

Rezaee S, Radwan A , Moallem M , Jiacheng Wang. Voltage Source Converters Connected to Very Weak Grids: Accurate Dynamic Modeling, Small-Signal Analysis, and Stability Improvement[J]. IEEE Access, 2020, 8:201120-201133.（已见刊）

课题研究背景

弱电网下电压源变流器并网控制技术研究意义与现状

随着社会对能源需求的不断增长、人民环境保护意识的不断增强以及电力市场经济的崛起，使得采用分布式发电 (DG) 系统得到大力发展并可能最终取代传统发电厂。其中分布式发电系统中关键核心技术就是电压源变流器的并网控制技术，由于具备高开关频率能力和独立调节双向有功、无功功率的能力，两电平三相电压源换流器技术是将 DG 连接到电网的最先进技术，其中矢量控制方法也是业界广泛应用的控制策略。

通常DG接入电网可以等效成无穷大系统，这时两电平三相电压源换流器（VSC）可以工作在设定的工作状态且运行良好。若电压源换流器接入一个弱电网(WG)时，可能存在以下问题：（1）与电压源换流器的矢量控制之间产生相互作用的低频振荡可能导致弱电网下并网系统不稳定；（2）弱电网下锁相环动态也会引起系统的不稳定；（3）弱电网条件下只能进行有限的功率传输。目前已经有许多文献研究如何提高弱电网下电压源换流器并网系统的稳定性，比如通过减小锁相环的带宽来改进传统矢量控制或通过在电流控制环中增加前馈控制来改变 VSC 输出阻抗的幅度或相位角，但这些方法均难以解决在非常弱电网（短路比为1情况）下并网系统稳定性问题。

根据上述所述方法的不足之处，本文提出了一种在非常弱电网条件下减轻基于电压源换流器并网不稳定问题的简单方法，可以轻松地与现有的矢量控制方法相结合，该方法不仅不需要改变 VSC的控制参数，同时能保证VSC的稳态测量值不变，可以有效的减轻非常弱电网下电压源换流器并网系统的不稳定性。

研究重要内容和创新点

VSC-WG系统的动态建模

图1为VSC-WG 系统。其中图1(a) 表示带有LC 滤波器的 VSC 通过升压变压器和电网阻抗连接到电网的拓扑电路；图1(b) VSC控制电路。

图1 VSC-WG 系统

小信号稳定性评估

未补偿 VSC-WG 系统的状态空间表示为

下表1中总结的强电网（SG）和弱电网（WG）案例的主要模式中不同状态下稳定性表示。在 SG 的情况下，有两个真正的稳定特征值，λ₁ 和 λ₂，分别主要对应于 PCC 电压的 PLL 和控制状态。然而，在 WG 的情况下，有两个真正的稳定特征值，λ₁ 和 λ₄，它们分别主要受 PLL 和 DVC 的状态影响。此外，还有一对不稳定的复特征值，λ₃₋₄，对应于电网阻抗、PLL、DVC 和 AVC 的状态。这表明 VSC 控制系统状态和 WG 阻抗之间的交叉耦合是 VSC-WG 系统不稳定的主要来源。此外，还有一对稳定的复特征值，λ_5-6，它们对应于 PLL、直流链路和类似于 λ_3-4 的电网阻抗的状态。正如将要显示的，随着控制增益的变化，这对可以导致向虚轴靠近。

表1 主导模态下VSC-WG的参与因子

VSC-WG 主动补偿方法

补偿 VSC-WG 系统的状态空间表示为

主要特征值的频谱如图2、3所示

图2 Kcp的变化为0.3到3

图3 Pac在0.35到1 pu之间变化。

基于实时仿真器的算法验证

实验结果

远宽能源（www.modeling-tech.com）提供的StarSim实时仿真器，基于电力电子器件的细节模型，利用最新的FPGA技术，可以实现1微秒步长、任意拓扑、任意工况的电力电子系统实时仿真，被广泛应用于可再生能源并网、电机驱动等实时仿真中。为了验证所建立的动态模型、小信号分析和所提出的补偿方法的有效性，SFU科研团队采用了StarSim电力电子实时仿真器来对所提出的补偿方法进行验证。

下图4是HIL+RCP测试平台示意图，其包括实时仿真系统HIL和快速原型控制器RCP， 其中VSC-WG系统是利用StarSim FPGA Solver按1微秒的步长实时仿真；控制算法模型运行在RCP控制器上，实时仿真器和快速原型控制器通过真实的物理IO互连。

图4实时仿真测试平台

下图5为在t=[0，1，2，3，4，5]s时，VSC直流电源Pdc遵循[0.4，0.6，0.8，0.9，0.95，1]pu曲线进行了一系列实验。其中图5(a) 表示 VSC 响应 vo、io 以及与∆vdc的直流电压差。由图5(a)可知，vo和io在所有条件下都得到了良好的阻尼和调节。此外，由于∆vdc由直流电压控制调节，在稳态的情况下∆vdc基本为零，每个步骤初始瞬间波形中都存在一定的过冲，其中启动瞬间小于0.15pu，后续步骤小于0.1pu。图5(b)为稳定状态下vo和io的放大视图。可以得到vo的总谐波失真为5%，是符合IEEE标准的。

图5启动瞬态和Pdc中阶梯变化期间VSC的电压和电流响应

图6(a)表示VSC注入的有功功率Pac的增加阶梯图。在每一步功率的增加时都会有小的超调，直到t>5s时Pac达到1pu。根据图6(b)所示，在Pdc中的每次增加后，PCC和电网相电压之间的相位角差|δ|幅值不断增加。图6(c)表示了所提出的补偿信号ucp的变化，补偿信号仅在瞬态条件下激活，以减轻潜在的不稳定性，在稳态条件下是没有影响的。

图6 Pdc中阶梯变化期间的VSC有功功率、相位角差和补偿信号响应