柔性互聯(lián)配電網(wǎng)換流器控制模式平滑切換策略

王建建，孫凱祺，李可軍，劉智杰，孫媛媛

（山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東省濟(jì)南市 250061）

0 引言

隨著分布式電源滲透率的不斷提高以及負(fù)荷類型的多樣化，傳統(tǒng)的交流配電系統(tǒng)運(yùn)行模式受到了挑戰(zhàn)［1］。基于電力電子技術(shù)的柔性互聯(lián)配電網(wǎng)可提高系統(tǒng)的控制靈活性和運(yùn)行可靠性，將成為未來(lái)配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)［2-3］。但是高比例的可再生能源以及高比例的電力電子設(shè)備接入導(dǎo)致交流系統(tǒng)出現(xiàn)低短路比（short-circuit ratio，SCR）的弱電網(wǎng)特征，同時(shí)，可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性、發(fā)電機(jī)脫機(jī)以及負(fù)荷轉(zhuǎn)供等工況造成系統(tǒng)的SCR 波動(dòng)顯著，對(duì)柔性互聯(lián)配電網(wǎng)換流器的穩(wěn)定、高效運(yùn)行構(gòu)成了挑戰(zhàn)。

目前，柔性互聯(lián)配電網(wǎng)中的換流器一般采用基于鎖相環(huán)（phase-locked loop，PLL）［4］的電流矢量控制（current vector control，CVC）模式［5-6］。然而，弱電網(wǎng)下PLL 參數(shù)將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性［7-8］。由于PLL 與電網(wǎng)阻抗之間存在耦合關(guān)系，且耦合關(guān)系會(huì)隨著電網(wǎng)強(qiáng)度的減小及PLL 帶寬的增大而加?。?-10］。當(dāng)系統(tǒng)SCR 小于1.3 時(shí)，基于電流矢量控制的換流器在額定工況下已難以維持穩(wěn)定運(yùn)行［10］。此外，弱電網(wǎng)下的PLL 會(huì)引入不對(duì)稱正反饋環(huán)路［11］，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且PLL 的滯后效應(yīng)還會(huì)對(duì)電流環(huán)產(chǎn)生不利影響，加劇換流器的靜態(tài)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)［12］。為提高電壓源換流器（voltage source converter，VSC）向弱交流系統(tǒng)供電時(shí)的穩(wěn)定性，文獻(xiàn)［13］提出了功率同步控制（power synchronization control，PSC）策略。文獻(xiàn)［14］則在此基礎(chǔ)上加入了電流環(huán)，有效抑制了短路電流并增加了換流器的慣性支撐能力。功率同步控制以模仿同步電機(jī)的運(yùn)行特性為基礎(chǔ)，規(guī)避了向弱電網(wǎng)供電時(shí)PLL 引入的穩(wěn)定性問(wèn)題，更適用于與弱電網(wǎng)連接的換流器［15-17］。然而，當(dāng)系統(tǒng)SCR 較大時(shí)，由于換流器采用功率同步控制后減小了系統(tǒng)的阻尼比，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)隨著SCR 的增大而降低［18］。文獻(xiàn)［19］通過(guò)對(duì)比功率同步控制及電流矢量控制在交流側(cè)故障后的響應(yīng)特性，建議SCR 大于1.4 時(shí)采用電流矢量控制，反之采用功率同步控制。

對(duì)于強(qiáng)度不斷變化的交流系統(tǒng)，采用單一控制模式的換流器已無(wú)法滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行需求?；陔娏魇噶靠刂婆c功率同步控制在不同電網(wǎng)強(qiáng)度下的特性差異，開(kāi)展換流器多種控制模式的組合和切換研究，以實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)強(qiáng)度大范圍波動(dòng)下的穩(wěn)定控制非常必要。針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)［20］提出了一種電流源控制與電壓源控制共存的雙模式控制策略，實(shí)現(xiàn)了不同電網(wǎng)強(qiáng)度下的系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，但針對(duì)2 種控制模式之間的切換策略及切換過(guò)程中可能產(chǎn)生的擾動(dòng)并未深入研究。文獻(xiàn)［21］針對(duì)交直流并聯(lián)運(yùn)行的場(chǎng)景，提出了一種電流矢量控制與電壓-頻率（V/f）控制的平滑切換策略。文獻(xiàn)［22］為了提高換流器在不同故障工況下的運(yùn)行穩(wěn)定性，提出了電流矢量控制與功率同步控制的無(wú)擾動(dòng)切換策略，但未考慮交流系統(tǒng)強(qiáng)度變化的運(yùn)行工況。文獻(xiàn)［23］針對(duì)并網(wǎng)換流器有功功率-無(wú)功功率（P/Q）控制模式與虛擬同步機(jī)控制模式切換問(wèn)題，提出了一種基于控制器狀態(tài)跟隨的并行切換方法，但切換策略中的電流指令數(shù)值緩啟動(dòng)器會(huì)影響控制模式切換的快速性，且未考慮系統(tǒng)強(qiáng)度變化引入的擾動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)其所采用的電流矢量控制無(wú)外環(huán)部分，僅能實(shí)現(xiàn)P/Q控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)其他控制方式，切換策略的通用性不足。文獻(xiàn)［24］中提出了一種并網(wǎng)逆變器的虛擬同步機(jī)控制和P/Q控制的平滑切換方法，但該方法同樣未考慮系統(tǒng)強(qiáng)度變化及通信延時(shí)的影響。

因此，考慮電流矢量控制與功率同步控制適用電網(wǎng)強(qiáng)度的不同，為使換流器能適應(yīng)不同的系統(tǒng)運(yùn)行工況，提升系統(tǒng)在不同電網(wǎng)強(qiáng)度下的運(yùn)行穩(wěn)定性，本文提出了一種電流矢量控制與功率同步控制間的平滑切換策略。首先，通過(guò)小擾動(dòng)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定分析，揭示了功率同步控制和電流矢量控制在不同電網(wǎng)強(qiáng)度下的穩(wěn)定性差異性；然后，分析了控制模式切換過(guò)程產(chǎn)生擾動(dòng)的關(guān)鍵因素；最后，以抑制相位角及dq軸電流指令值的突變?yōu)槟繕?biāo)，提出了一種電流矢量控制與功率同步控制方式間的平滑切換策略，并通過(guò)在功率同步環(huán)（power synchronization loop，PSL）增加功率前饋環(huán)節(jié)進(jìn)一步減小了SCR 變化帶來(lái)的擾動(dòng)。

1 VSC 控制方式

1.1 電流矢量控制

電流矢量控制策略是以快速電流反饋為特征的直接電流控制策略，能夠獲得高品質(zhì)的電流響應(yīng)，在VSC 控 制 中 得 到 了 廣 泛 應(yīng) 用［19，25］。本 文 所 采 用 的電流矢量控制如圖1 所示。圖中，Pref和P分別為換流器輸出有功功率指令值和實(shí)際值；vsm，ref和vsm分別為換流器輸出交流電壓幅值指令值和公共連接點(diǎn)（point of common coupling，PCC）處的交流電壓幅值；vd、vq和id、iq分 別 為 交 流 電 壓 和 電 流 的dq軸 分量；id，ref和iq，ref分 別 為d軸 和q軸 電 流 指 令 值；f0為 電網(wǎng) 額 定 頻 率；Δf為 電 網(wǎng) 頻 率 波 動(dòng)；fpll和θpll分 別 為PLL 跟蹤獲得的電網(wǎng)頻率和相位角；PI 為比例-積分控制器。

從圖1 可知，該電流矢量控制共包含PLL 模塊、外環(huán)控制器、內(nèi)環(huán)控制器3 個(gè)部分。其中，PLL 模塊主要用于跟蹤電網(wǎng)電壓相位，為坐標(biāo)變換提供相位角基準(zhǔn)。內(nèi)環(huán)控制器跟蹤dq軸電流指令值，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制，而外環(huán)控制器則通過(guò)跟蹤有功功率、交流電壓幅值等參考量獲得dq軸電流指令值，最終與內(nèi)環(huán)控制器形成串聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)換流器的控制目標(biāo)?；赿q軸解耦特性，外環(huán)控制器能夠針對(duì)有功類變量和無(wú)功類變量進(jìn)行獨(dú)立控制，除了圖1 中所示的有功功率控制、交流電壓幅值控制外，還可實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率控制、直流電壓控制、直流電壓下垂控制等。這些控制器的組合共同構(gòu)成了VSC 的基本控制方式。

圖1 電流矢量控制示意圖Fig.1 Schematic diagram of current vector control

1.2 功率同步控制

功率同步控制的核心思想是，基于同步發(fā)電機(jī)的搖擺方程進(jìn)行換流器有功功率控制器設(shè)計(jì)，使得VSC 模擬同步發(fā)電機(jī)外特性，能夠自主控制輸出交流電壓的頻率和相位，而不是被動(dòng)跟蹤交流電網(wǎng)的頻率和相位。同步發(fā)電機(jī)的搖擺方程為

式中:ω為實(shí)際電氣角頻率；ω0為電網(wǎng)額定角頻率；δ為發(fā)電機(jī)功角；Pm為原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率；Pe為發(fā)電機(jī)電磁功率；TJ為發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)；D為阻尼系數(shù)。

基于式（1），利用換流器輸出功率指令Pref代替Pm，換流器實(shí)際功率P代替Pe，即可構(gòu)造PSL 控制器，如圖2 所示［13-14］。通過(guò)模擬同步發(fā)電機(jī)特性，PSL 可在控制換流器輸出有功功率的同時(shí)產(chǎn)生相位角θpsl，是實(shí)現(xiàn)換流器與交流電網(wǎng)同步的關(guān)鍵。此外，功率同步控制還包括內(nèi)環(huán)控制器和外環(huán)控制器，其中，內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì)與電流矢量控制完全相同，但功率同步控制的有功類變量控制是由PSL 完成。因此，外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)與電流矢量控制有較大差異。外環(huán)控制器的d軸控制目標(biāo)為跟蹤交流電壓指令 值vsm，ref，q軸 控 制 目 標(biāo) 為 跟 蹤q軸 電 壓 指 令 值vq，ref，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)換流器無(wú)功類變量的控制。與電流矢量控制類似，除圖2 中所示的控制方式外，功率同步控制也可實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率控制、直流電壓控制、直流電壓下垂控制等基本控制方式。

圖2 功率同步控制示意圖Fig.2 Schematic diagram of power synchronization control

2 電流矢量控制與功率同步控制穩(wěn)定性對(duì)比

為了對(duì)比電流矢量控制與功率同步控制在不同電網(wǎng)強(qiáng)度下的小擾動(dòng)穩(wěn)定性及暫態(tài)穩(wěn)定性特點(diǎn)，按照如附錄A 圖A1 所示的系統(tǒng)拓?fù)湓赑SCAD/EMTDC 中搭建了仿真模型。VSC 為模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC），直流側(cè)接直流電壓源，與換流器相連的交流系統(tǒng)用戴維寧等效電路（理想電壓源與系統(tǒng)阻抗Zs串聯(lián)）表示［18］，通過(guò)改變Zs的大小模擬不同強(qiáng)度的交流系統(tǒng)，其中，Zs的阻抗角為50°。仿真模型相關(guān)參數(shù)如附錄A 表A1 和表A2 所示。

2.1 小擾動(dòng)穩(wěn)定性對(duì)比

正常狀態(tài)下?lián)Q流器運(yùn)行于逆變狀態(tài)，采用P/V控制方式，交流電壓幅值指令值為1.1 p.u.，有功功率指令值為1 p.u.（設(shè)換流器容量極限Smax=1.3，有功功率上限Pmax=1.2，無(wú)功功率上限Qmax=0.5）。附錄A 圖A2 和圖A3 顯示了5 s 時(shí)系統(tǒng)受到小擾動(dòng)（負(fù)荷突增0.1 p.u.，持續(xù)時(shí)間為0.02 s）時(shí)，不同電網(wǎng)強(qiáng)度下?lián)Q流器采用電流矢量控制和功率同步控制的仿真結(jié)果。從圖中可知，若換流器采用電流矢量控制模式，在交流系統(tǒng)SCR 等于3 時(shí)，小擾動(dòng)過(guò)后換流器輸出的有功功率波動(dòng)較小，且功率振蕩衰減速度較快，有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。但隨著系統(tǒng)強(qiáng)度逐漸減小，小擾動(dòng)后換流器輸出的有功功率波動(dòng)幅度增大，且功率振蕩衰減速度變緩，小擾動(dòng)穩(wěn)定性逐漸變差。與之相反，若換流器采用功率同步控制模式，則系統(tǒng)的小擾動(dòng)穩(wěn)定性會(huì)隨著交流系統(tǒng)強(qiáng)度的增大而呈下降趨勢(shì)。

2.2 暫態(tài)穩(wěn)定性對(duì)比

附錄A 圖A4 和圖A5 顯示了5 s 時(shí)系統(tǒng)交流側(cè)出現(xiàn)三相短路故障時(shí)（故障持續(xù)時(shí)間為0.1 s），不同電網(wǎng)強(qiáng)度下?lián)Q流器采用電流矢量控制和功率同步控制的仿真結(jié)果。從圖中可知，電流矢量控制模式下，當(dāng)系統(tǒng)SCR 分別為3 和2 時(shí)，故障消除后換流器輸出有功功率能快速上升并恢復(fù)穩(wěn)定，換流器能夠穿越交流側(cè)三相短路故障，具有較好的暫態(tài)穩(wěn)定性。但當(dāng)系統(tǒng)SCR 下降至1.4 時(shí)，故障消除后換流器輸出有功功率已無(wú)法恢復(fù)，出現(xiàn)了失穩(wěn)現(xiàn)象。若換流器采用功率同步控制模式，則表現(xiàn)出了與電流矢量控制模式下相反的特性。當(dāng)系統(tǒng)SCR 較小時(shí)，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，但隨著交流系統(tǒng)SCR 的持續(xù)增大，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性逐漸減弱，當(dāng)SCR 增大至3 時(shí)，故障消除后換流器輸出有功功率經(jīng)3 s 振蕩后仍未恢復(fù)穩(wěn)定，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性已較差。

經(jīng)對(duì)比分析可知，換流器所連交流系統(tǒng)的強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有顯著影響，且換流器采用的控制模式不同，運(yùn)行特性也不同。若換流器采用電流矢量控制，由于弱電網(wǎng)時(shí)PLL 會(huì)在基頻附近引入負(fù)阻尼［26］，電網(wǎng)SCR 較大時(shí)，系統(tǒng)阻尼仍較大，但隨著電網(wǎng)SCR 的減小，系統(tǒng)阻尼大幅度減小。因此，系統(tǒng)的小擾動(dòng)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性均隨電網(wǎng)強(qiáng)度減小呈下降趨勢(shì)。若換流器采用功率同步控制，系統(tǒng)SCR較大時(shí)系統(tǒng)的阻尼較小，只有當(dāng)系統(tǒng)SCR 較小時(shí)系統(tǒng)阻尼才會(huì)比較大［19］。因此，隨著系統(tǒng)SCR 的增大，系統(tǒng)的小擾動(dòng)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性均會(huì)逐漸降低。

綜上所述，基于電流矢量控制與功率同步控制在不同電網(wǎng)強(qiáng)度下的穩(wěn)定運(yùn)行特性差異，當(dāng)交流系統(tǒng)強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，合理選擇換流器的控制模式并實(shí)現(xiàn)不同控制模式之間的平滑切換以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有重要意義。

3 平滑切換策略

對(duì)于柔性互聯(lián)配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，正常運(yùn)行工況下，交流系統(tǒng)的強(qiáng)度較為穩(wěn)定。但當(dāng)交流配電網(wǎng)中發(fā)生故障時(shí)，基于N-1 原則，故障線路被斷開(kāi)后聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)將動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)失電區(qū)域的負(fù)荷轉(zhuǎn)供電，這將使得配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而可能導(dǎo)致系統(tǒng)強(qiáng)度大幅度降低。此后，隨著故障被清除，配電網(wǎng)拓?fù)浠謴?fù)原狀態(tài)，系統(tǒng)的強(qiáng)度也隨之恢復(fù)。整個(gè)負(fù)荷轉(zhuǎn)供電的過(guò)程將導(dǎo)致電網(wǎng)強(qiáng)度的大范圍變化，這種情況下，單一的換流器控制策略已難以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定、靈活控制需求。為更好地適應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)變化，結(jié)合電流矢量控制與功率同步控制的特點(diǎn)，使換流器在交流系統(tǒng)強(qiáng)度較大時(shí)能夠運(yùn)行于電流矢量控制中，強(qiáng)度較小時(shí)能夠運(yùn)行于功率同步控制中是一種可行的解決方案。但由于電流矢量控制與功率同步控制的原理不同，通常情況下，2 種控制模式間的直接切換將導(dǎo)致較大的擾動(dòng)或無(wú)法成功切換。為實(shí)現(xiàn)2 種控制模式間的平滑切換，本文針對(duì)切換過(guò)程中造成擾動(dòng)的關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析，并基于此提出了相應(yīng)的控制模式平滑切換策略。

3.1 造成切換過(guò)程擾動(dòng)的因素分析

穩(wěn)態(tài)工況下?lián)Q流器與交流系統(tǒng)的簡(jiǎn)化等效模型如附錄A 圖A6 所示［18］，由此可得換流器與交流系統(tǒng)間傳輸?shù)墓β蕿?

式 中:Q為 無(wú) 功 功 率；Vsvc和θsvc分 別 為PCC 處 交 流電壓的幅值和相位角；E和θs分別為交流電源的電壓幅值和相位角；Zs=Rs+jXs為系統(tǒng)的等效阻抗；α為系統(tǒng)阻抗角；Rs和Xs分別為交流系統(tǒng)等效阻抗的電阻分量和電抗分量。

對(duì)于同一系統(tǒng)，假設(shè)PLL 與PSL 處于并行狀態(tài)，則當(dāng)換流器運(yùn)行于電流矢量控制模式時(shí)。由于PSL 控制器無(wú)法構(gòu)成閉環(huán)，且積分器具有累積作用，則此時(shí)PSL 所輸出的相位角θpsl與換流器當(dāng)前控制目標(biāo)下所需要的相位角并不相等。因此，θpll與θpsl之間存在差異，具體如附錄A 圖A7 所示。若換流器輸出交流電壓幅值不變，則切換前后換流器輸出功率將存在差值，其差值大小可由式（3）推出。由式（3）可知，θpll與θpsl之間差值越大，則切換后功率的變化越大，從而導(dǎo)致切換過(guò)程中出現(xiàn)較大的功率波動(dòng)。

式中:ΔP和ΔQ分別為有功功率和無(wú)功功率的波動(dòng)。

通過(guò)對(duì)比功率同步控制與電流矢量控制的原理圖可以發(fā)現(xiàn)，2 種控制模式下的內(nèi)環(huán)控制器完全相同，因此，直接切換策略通過(guò)切換功率同步控制與電流矢量控制的dq軸電流指令值實(shí)現(xiàn)換流器在2 種控制模式間的切換。但正常運(yùn)行狀態(tài)下，換流器內(nèi)有且僅有一種控制模式處于運(yùn)行狀態(tài)。因此，另一控制模式無(wú)法形成反饋回路，從而導(dǎo)致其輸出的dq軸電流指令值與當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)并不對(duì)應(yīng)。若直接切換，則切換瞬間dq軸電流指令值存在突變，從而造成擾動(dòng)，如附錄A 圖A8 和圖A9 所示（SCR 為1.8，切換瞬間θ保持不變，5 s 時(shí)從電流矢量控制切換為功率同步控制，10 s 時(shí)切換回電流矢量控制）。

3.2 控制模式平滑切換策略

為了解決切換過(guò)程中θ突變?cè)斐傻臄_動(dòng)問(wèn)題，利用積分環(huán)節(jié)輸出連續(xù)不突變的特性［27］，平滑切換策略對(duì)θ的跟蹤環(huán)節(jié)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖3 所示。圖中:Δω為角頻率的波動(dòng)。

圖3 相位角平滑切換框圖Fig.3 Block diagram of smooth switching for phase angle

電流矢量控制模式下，切換開(kāi)關(guān)處于位置2，此時(shí)，PLL 處于運(yùn)行狀態(tài)，θ=θpll。由于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下有P=Pref，因此PSL 獲得的角頻率有ωpsl=ω0。收到切換指令后，開(kāi)關(guān)位置由2 變?yōu)?，換流器控制模式由電流矢量控制切換至功率同步控制。由于切換開(kāi)關(guān)后存在積分器，且積分器輸出具有連續(xù)不突變的特性，因此，切換瞬間的θ=θpsl=θpll，切換瞬間的θ無(wú)突變。由電流矢量控制向功率同步控制的切換完成后，開(kāi)關(guān)處于1 位置時(shí)，此時(shí)PLL 與PSL 處于同步運(yùn)行狀態(tài)，由于PLL 具有跟蹤電網(wǎng)相位的特點(diǎn)，功率同步控制模式運(yùn)行期間，始終存在θpll=θpsl，且PLL 獲得的角頻率始終保持ωpll=ωpsl。因此，當(dāng)切換開(kāi)關(guān)由位置1 切換為位置2 時(shí)，換流器由功率同步控制切換為電流矢量控制，切換瞬間θ無(wú)突變。

為了解決切換過(guò)程中dq軸電流指令值突變?cè)斐傻臄_動(dòng)問(wèn)題，本文構(gòu)造了如圖4 所示的dq軸電流指 令 值 平 滑 切 換 結(jié) 構(gòu)。圖 中:id，cref和iq，cref分 別 為 電流 矢 量 控 制 下 的dq軸 電 流 指 令 值；id，pref和iq，pref分 別為功率同步控制下的dq軸電流指令值；vsm，pref和vq，sw，ref分別為電流矢量控制模式下功率同步控制外環(huán)的交流電壓與q軸電壓指令值；vsm，cref與Psw，ref分別為功率同步控制模式下電流矢量控制外環(huán)的交流電壓與有功功率指令值。

圖4 dq 軸電流指令值平滑切換框圖Fig.4 Block diagram of smooth switching for current reference value in dq axis

當(dāng)圖4 中的所有切換開(kāi)關(guān)處于2 位置時(shí)，id，ref與模 塊B 相 連，控 制 有 功 功 率P跟 蹤Pref；iq，ref與 模 塊D相連，控制交流電壓幅值vsm跟蹤vsm，ref，換流器處于電流矢量控制模式。同時(shí)，在電流矢量控制運(yùn)行期間，模塊A 和模塊C 將獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)功率同步控制輸出的dq軸電流指令值與電流矢量控制輸出的dq軸 電 流 指 令 值 之 間 的 同 步，即 讓id，pref、iq，pref跟 蹤id，cref和iq，cref，最 終 使 得id，pref=id，cref，iq，pref=iq，cref。當(dāng) 圖4中 的 所 有 切 換 開(kāi) 關(guān) 處 于 位 置1 時(shí)，id，ref與 模 塊A 相連，控 制d軸 電 壓vd跟 蹤vsm，ref；iq，ref與 模 塊C 相 連，控制q軸電壓vq跟蹤vq，ref，換流器處于功率同步控制模式。此時(shí)，模塊B 和模塊D 將獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電流矢量控制輸出的dq軸電流指令值與功率同步控制輸出的dq軸電流指令值之間的同步，即讓id，cref、iq，cref跟 蹤id，pref和iq，pref，最 終 使 得id，cref=id，pref，iq，cref=iq，pref。通 過(guò) 對(duì)2 種 控 制 模 式 間dq電 流 指 令 值的同步，當(dāng)換流器的控制模式進(jìn)行切換時(shí)，無(wú)論切換開(kāi)關(guān)位置從1 切換為2，還是從2 切換為1，在切換瞬間 始 終 有id，cref=id，pref，iq，cref=iq，pref。因 此，id，ref與iq，ref在切換瞬間將保持不變，從而解決了切換過(guò)程中dq軸電流指令值突變引入的擾動(dòng)問(wèn)題。

除 切 換 過(guò) 程 中θ與id，ref、iq，ref突 變 造 成 的 內(nèi) 部 擾動(dòng)外，若在交流系統(tǒng)SCR 變化的同時(shí)進(jìn)行控制模式切換，則SCR 的變化也會(huì)為系統(tǒng)帶來(lái)一定的外部擾動(dòng)。由式（2）可知，換流器與交流系統(tǒng)間傳輸?shù)墓β逝c系統(tǒng)的等效阻抗相關(guān)，根據(jù)SCR 的定義可知，等效阻抗的模與系統(tǒng)SCR 成反比關(guān)系。因此，系統(tǒng)SCR 的變化必將導(dǎo)致|Zs|發(fā)生變化，從而使換流器輸出功率出現(xiàn)波動(dòng)。為使功率恢復(fù)原值，在PCC 處電壓不變的情況下，則必須要改變PCC 處電壓相位。然而，當(dāng)換流器由電流矢量控制切換為功率同步控制后，其輸出電角度θ仍為SCR 變化前所需電角度θSCR1，為了達(dá)到穩(wěn)態(tài)，必須逐漸變化至當(dāng)前SCR 下所需電角度θSCR2，該動(dòng)態(tài)過(guò)程的變化速度與其引起的功率波動(dòng)大小由功率同步控制的慣性與阻尼環(huán)節(jié)決定。為了不改變控制系統(tǒng)的參數(shù)而影響換流器在其他工況下的運(yùn)行性能，同時(shí)減小該動(dòng)態(tài)過(guò)程中功率的最大變化量、加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，在控制模式切換過(guò)程中引入功率前饋環(huán)節(jié)，如圖5 所示。圖中:K為常數(shù)；kint為積分環(huán)節(jié)增益。

圖5 功率前饋Fig.5 Power feedforward

正常情況下，開(kāi)關(guān)S1和S2處于開(kāi)通狀態(tài)，當(dāng)換流器接收到由電流矢量控制向功率同步控制進(jìn)行切換的信號(hào)后，開(kāi)關(guān)S1和S2閉合，從而在PSL 環(huán)節(jié)增加一個(gè)功率前饋環(huán)節(jié)，加快θ的變化。當(dāng)Ks≤ε時(shí)，開(kāi)關(guān)S1和S2打開(kāi)并將積分環(huán)節(jié)復(fù)位，功率前饋環(huán)節(jié)退出運(yùn)行。ε為功率前饋環(huán)節(jié)退出運(yùn)行的判據(jù)。需要說(shuō)明的是，雖然本文所提出的換流器控制模式平滑切換策略是以P/V控制方式為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，但該平滑切換策略的原理對(duì)于P/Q控制等其他換流器控制方式下的控制模式平滑切換同樣適用。

4 平滑切換策略驗(yàn)證分析

4.1 穩(wěn)態(tài)切換

為驗(yàn)證系統(tǒng)強(qiáng)度不變的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，控制模式平滑切換策略的有效性，基于附錄A 圖A1 在PSCAD/EMTDC 中搭建了對(duì)應(yīng)的仿真模型，對(duì)控制模式平滑切換策略與直接切換策略進(jìn)行了效果對(duì)比。直接切換策略的原則是:不考慮平滑切換措施，在θ以及id，ref、iq，ref處直接切換。其中，仿真模型參數(shù)見(jiàn)附錄A 表A1 和表A2。

假設(shè)交流系統(tǒng)SCR 為1.8，換流器于5 s 時(shí)從電流矢量控制切換至功率同步控制，10 s 時(shí)從功率同步控制切換回電流矢量控制，采用直接切換策略與平滑切換策略下，VSC 輸出有功功率、交流端電壓及θ與id，ref、iq，ref的 變 化 情 況 如 圖6 所 示。從 圖 中 可知，平滑切換策略下，無(wú)論是電流矢量控制向功率同步控制切換還是其逆過(guò)程，在切換瞬間，θ與dq軸電流指令值均未產(chǎn)生突變，換流器輸出有功功率的最大變化量約為原值的3.6%，而交流端電壓波形在切換前后幾乎無(wú)變化，切換過(guò)程十分平滑。在直接切換策略下，當(dāng)電流矢量控制向功率同步控制切換時(shí)，由于θpll與θpsl之間以及2 種運(yùn)行模式下dq軸電流指令值的差異性，導(dǎo)致在切換瞬間的θ與id，ref、iq，ref均存在明顯突變；當(dāng)功率同步控制向電流矢量控制切換時(shí)，雖然切換瞬間的θ不存在突變，但id，ref、iq，ref仍有明顯突變。因此，在直接切換策略下，2 種控制模式間的切換過(guò)程導(dǎo)致?lián)Q流器輸出有功功率及交流端電壓波形均出現(xiàn)了較大波動(dòng)。由上述分析可知，在交流系統(tǒng)強(qiáng)度不變的情況下，在電流矢量控制與功率同步控制的切換過(guò)程中，平滑切換策略均未造成任何擾動(dòng)，驗(yàn)證了平滑切換策略的有效性和正確性。

圖6 穩(wěn)態(tài)時(shí)換流器控制模式切換響應(yīng)Fig.6 Switching response of converter control mode in steady state

4.2 電網(wǎng)強(qiáng)度變化下切換

配電網(wǎng)中，基于N-1 原則的負(fù)荷轉(zhuǎn)供電策略將導(dǎo)致系統(tǒng)的SCR 發(fā)生大范圍變化。因此，為保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，考慮在系統(tǒng)SCR 變化時(shí)，對(duì)換流器的控制模式進(jìn)行切換。根據(jù)附錄A 圖A2 至圖A5 的仿真結(jié)果可知，當(dāng)交流系統(tǒng)SCR 不大于1.4時(shí)，電流矢量控制已無(wú)法在故障后恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)交流系統(tǒng)SCR 不小于3.0 時(shí)，功率同步控制模式下的換流器輸出功率在故障消除后出現(xiàn)了較長(zhǎng)時(shí)間且較大幅度的振蕩。因此，本文中將選擇交流系統(tǒng)SCR 為1.5 和3.0 時(shí)作為2 種控制模式間的切換邊界，構(gòu)成如附錄A 圖A10 所示的滯環(huán)切換回路，以減少非必要情況下的控制模式頻繁切換。

基于圖7 所示的柔性互聯(lián)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在PSCAD/EMTDC 中搭建仿真模型，換流器各參數(shù)參照附錄A 表A1 和表A2 所示。其中，交流系統(tǒng)1和交流系統(tǒng)2 的額定電壓均為10 kV（IEEE 33 節(jié)點(diǎn)算例）［28］，換流器1 和2 完全相同，換流器2 采用定直流電壓控制，換流器1 采用P/V控制。初始狀態(tài)下，交流系統(tǒng)1 的SCR 為3.53，換流器運(yùn)行于電流矢量控制模式，5 s 時(shí)線路29-30 因故障被斷開(kāi)，為向失電區(qū)負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)供電，線路18-33 間的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)閉合，交流系統(tǒng)1 的SCR 瞬間下降為1.37。由于此時(shí)SCR 小于1.50，換流器控制模式將由電流矢量控制切換為功率同步控制。運(yùn)行一段時(shí)間后，在10 s 時(shí)故障被清除，線路18-33 間的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，線路29-30 恢復(fù)運(yùn)行，交流系統(tǒng)1 的SCR 恢復(fù)。此時(shí)，SCR 恢復(fù)至3.53，換流器控制模式切換回電流矢量控制。由于整個(gè)切換過(guò)程中需通過(guò)檢測(cè)當(dāng)前系統(tǒng)中聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，并根據(jù)事先構(gòu)造的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)不同狀態(tài)下交流系統(tǒng)SCR 集合判斷換流器控制模式是否需要切換，從而發(fā)送切換信號(hào)，考慮到聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)檢測(cè)、信號(hào)傳輸、切換指令判定等均需一定的時(shí)間，因此，本文中將考慮20 ms 的通信延遲。

圖7 雙端柔性互聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of two-terminal flexible interconnected system

直接切換策略、完整平滑切換策略及無(wú)功率前饋環(huán)節(jié)的平滑切換策略下VSC1 輸出有功功率、交流 端 電 壓 及θ、id，ref、iq，ref的 響 應(yīng) 結(jié) 果 如 圖8 所 示。從圖 中 可 知，在 直 接 切 換 策 略 下，因id，ref和iq，ref在 切 換瞬間的突變、SCR 變化帶來(lái)的影響及θ在電流矢量控制切換為功率同步控制瞬間的突變，在電流矢量控制向功率同步控制切換時(shí)出現(xiàn)了較大的有功功率波動(dòng)以及過(guò)電壓，且dq軸電流指令值達(dá)到了限值，控制模式切換失敗。同時(shí)，在功率同步控制向電流矢量控制切換時(shí)，換流器輸出有功功率及交流端電壓曲線也出現(xiàn)了較大波動(dòng)。相比之下，平滑切換策略 因抑 制 了θ與id，ref、iq，ref在 切 換 瞬 間 的 突 變，在2 種控制模式的切換過(guò)程中，換流器輸出有功功率及交流端電壓曲線更為平緩，實(shí)現(xiàn)了2 種控制模式間的平滑切換。同時(shí)，在換流器由電流矢量控制向功率同步控制切換時(shí)，引入功率前饋環(huán)節(jié)后，切換過(guò)程中的有功功率波動(dòng)幅值大幅度下降，最大幅值由0.726 9 p.u.下降至0.666 2 p.u.，有效削弱了SCR 變化所帶來(lái)的擾動(dòng)。

圖8 SCR 變化下?lián)Q流器控制模式切換響應(yīng)Fig.8 Response of converter control mode switching with changing SCRs

圖9 為換流器分別采用本文提出的控制模式平滑切換策略、文獻(xiàn)［23］提出的基于控制器狀態(tài)跟隨的并行切換方法的仿真結(jié)果。由圖9 可知，在換流器由功率同步控制向電流矢量控制切換的過(guò)程中，2 種切換策略下的系統(tǒng)響應(yīng)均較平穩(wěn)；在換流器由電流矢量控制切換至功率同步控制的過(guò)程中，采用本文所提平滑切換策略后，有功功率最大波動(dòng)量為0.066 2 p.u.，交流端電壓最大波動(dòng)量為0.033 8 p.u.，而在采用基于控制器狀態(tài)跟隨的并行切換控制策略下，切換過(guò)程中的功率和電壓波動(dòng)相對(duì)較大，有功功率的最大波動(dòng)量為0.168 5 p.u.，交流端電壓最大波動(dòng)量為0.066 0 p.u.。

圖9 SCR 變換下不同切換控制策略響應(yīng)Fig.9 Response of different switching control strategies with changing SCRs

5 結(jié)語(yǔ)

為適應(yīng)柔性互聯(lián)配電網(wǎng)不同運(yùn)行工況下的控制需求，充分發(fā)揮電流矢量控制與功率同步控制在不同電網(wǎng)強(qiáng)度下的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)抑制電網(wǎng)相位角θ及id，ref、iq，ref在 切 換 瞬 間 的 突 變，本 文 提 出 了 一 種 電 流矢量控制與功率同步控制間的平滑切換策略，提升了系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜工況的適應(yīng)性。

1）隨著交流系統(tǒng)強(qiáng)度的降低，電流矢量控制方式下的系統(tǒng)小擾動(dòng)及暫態(tài)穩(wěn)定性均呈下降趨勢(shì)，而由于控制原理的不同，功率同步控制下的系統(tǒng)小擾動(dòng)及暫態(tài)穩(wěn)定性隨交流系統(tǒng)強(qiáng)度變化的特性與電流矢量控制存在較大差異。

2）電網(wǎng)相位角θ與dq軸電流指令值在切換瞬間的突變以及SCR 的變化是造成控制模式切換時(shí)出現(xiàn)擾動(dòng)的主要因素。

3）所提出的平滑切換策略可實(shí)現(xiàn)在交流系統(tǒng)強(qiáng)度變化時(shí)電流矢量控制模式與功率同步控制模式間的無(wú)擾動(dòng)切換，與直接切換相比擁有更平滑的切換效果，同時(shí)可以削弱SCR 變化帶來(lái)的擾動(dòng)。

本文所提方法暫未考慮柔性互聯(lián)配電網(wǎng)兩側(cè)換流器均需切換的場(chǎng)景。在后續(xù)工作中仍需考慮更加復(fù)雜的切換場(chǎng)景，并在此基礎(chǔ)上對(duì)換流器的控制模式切換策略進(jìn)行改進(jìn)和完善。

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