构网型变流器并网系统中功率同步环与端电压环相互作用分析

姚兴; 占萌; 刘琦

doi:10.7500/AEPS20240929004

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

构网型变流器并网系统中功率同步环与端电压环相互作用分析

研制与开发 | 更新时间：2025-09-25

- 构网型变流器并网系统中功率同步环与端电压环相互作用分析
- Analysis on Interaction Between Power Synchronization Loop and Terminal Voltage Loop in Grid-connected System of Grid-forming Converter
- 电力系统自动化 2025年49卷第16期页码：175-186
- 作者机构：
  
  强电磁工程与新技术国家重点实验室，电力安全与高效湖北省重点实验室（华中科技大学），湖北省武汉市 430074
- 作者简介：
  
  姚兴(2001—)，男，硕士研究生，主要研究方向：新能源并网系统稳定性分析。E-mail：yaoxing72261@hust.edu.cn
  占萌(1974—)，男，通信作者，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：电力电子化电力系统动态、新能源并网稳定。E-mail：zhanmeng@hust.edu.cn
  刘琦(2001—)，女，硕士研究生，主要研究方向：新能源装备并网系统小扰动稳定。E-mail：liuqi67@hust.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(U22B6008)
- DOI：10.7500/AEPS20240929004
  中图分类号：
- 收稿日期：2024-09-29，
  
  修回日期：2025-01-17，
  
  网络出版日期：2025-05-30，
  
  纸质出版日期：2025-08-25
- 稿件说明：
移动端阅览
姚兴,占萌,刘琦.构网型变流器并网系统中功率同步环与端电压环相互作用分析[J].电力系统自动化,2025,49(16):175-186.

YAO Xing,ZHAN Meng,LIU Qi.Analysis on Interaction Between Power Synchronization Loop and Terminal Voltage Loop in Grid-connected System of Grid-forming Converter[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(16):175-186.
姚兴,占萌,刘琦.构网型变流器并网系统中功率同步环与端电压环相互作用分析[J].电力系统自动化,2025,49(16):175-186. DOI： 10.7500/AEPS20240929004.

YAO Xing,ZHAN Meng,LIU Qi.Analysis on Interaction Between Power Synchronization Loop and Terminal Voltage Loop in Grid-connected System of Grid-forming Converter[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(16):175-186. DOI： 10.7500/AEPS20240929004.

摘要

构网型变流器并网系统在强网下表现出反常失稳，而其功率同步控制环节与端电压控制环节间相互作用机制并不清晰。为此，文中从控制环节的振荡频率（控制环节带宽）角度，分析系统在不同强、弱网条件（线路电抗变化）下环节间的相互作用，以及由此导致的不同稳定性结果。首先，建立系统线性化模型，并基于自动控制理论，求取虚拟同步机与端电压控制环节子系统的带宽，发现二者带宽随线路电抗变化呈现相反的变化趋势。然后，通过奇异摄动理论

分别以虚拟同步机、端电压控制为主体展开不同网络条件下的环节间相互作用分析。再者，通过分析系统开环传递函数的幅相特性衡量稳定性，并得到导致强网失稳的临界线路电抗。最后，研究揭示了虚拟同步机、端电压控制的参数影响，以及控制环路带宽分离法与主流方法的区别与联系，并通过仿真和硬件在环实验验证了上述分析的正确性。

Abstract

The grid-connected system of the grid-forming converter exhibits abnormal instability in a strong grid. The mechanism of interaction between the power synchronization control loop and the voltage control loop is unclear. Therefore

from the perspective of oscillation frequency (bandwidth of control loop)

this paper analyzes the interaction between control loops under various strong or weak grid conditions (with line reactance variation) of the system

and various stability results caused by the interaction are obtained. Firstly

the linearized model of the system is established

and the subsystem bandwidths of both the virtual synchronous generator and the terminal voltage control loops are calculated based on the automatic control theory. It is revealed that the bandwidths of the two subsystems exhibit opposite trends varied with the line reactance. Subsequently

by using the singular perturbation theory

the analysis of the interaction between the control loops under various grid conditions is carried out with the virtual synchronous generator or terminal voltage control as the main subject. Furthermore

the system stability is evaluated by analyzing the amplitude-phase characteristics of the open-loop transfer function of the system

and the critical line reactance leading to the instability in the strong grid is obtained. Finally

the parameter influences of the virtual synchronous generator and the terminal voltage control

as well as the difference and relationship between the control loop bandwidth separation method and the mainstream methods are studied. The correctness of the above analysis is verified by simulation and hardware-in-the-loop (HIL) experiments.

关键词

Keywords

references

中华人民共和国国务院新闻办公室 . 白皮书：中国的能源转型［EB/OL］.（ 2024-08-29 ）［ 2024-09-20 ］. https：//www.gov.cn/zhengce/202408/content_6971115.htm https://www.gov.cn/zhengce/202408/content_6971115.htm .

The Information Office of the State Council of the People’s Republic of China . White paper： the energy transition of China ［EB/OL］. （ 2024-08-29 ）［ 2024-09-20 ］. https：//www.gov.cn/zhengce/202408/content_6971115.htm https://www.gov.cn/zhengce/202408/content_6971115.htm .

张兴，战祥对，吴孟泽，等 . 高渗透率新能源发电并网变流器跟网/构网混合模式控制综述［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 21 ）： 1 - 15 .

ZHANG Xing ， ZHAN Xiangdui ， WU Mengze ， et al . Review on grid-following/grid-forming hybrid mode control for grid-connected converter in high penetration rate of renewable energy generation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 21 ）： 1 - 15 .

MA R ， ZHANG Y Y ， YANG Z Q ， et al . Synchronization stability of power-grid-tied converters ［J］. Chaos： An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science ， 2023 ， 33 （ 3 ）： 032102 .

詹长江，吴恒，王雄飞，等 . 构网型变流器稳定性研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 6 ）： 2339 - 2359 .

ZHAN Changjiang ， WU Heng ， WANG Xiongfei ， et al . An overview of stability studies of grid-forming voltage source converters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 6 ）： 2339 - 2359 .

黄萌，舒思睿，李锡林，等 . 面向同步稳定性的电力电子并网变流器分析与控制研究综述［J］. 电工技术学报， 2024 ， 39 （ 19 ）： 5978 - 5994 .

HUANG Meng ， SHU Sirui ， LI Xilin ， et al . A review of synchronization-stability-oriented analysis and control of power electronic grid-connected converters ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2024 ， 39 （ 19 ）： 5978 - 5994 .

吴广禄，王姗姗，周孝信，等 . VSC接入弱电网时外环有功控制稳定性解析［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 21 ）： 6169 - 6183 .

WU Guanglu ， WANG Shanshan ， ZHOU Xiaoxin ， et al . Analytical analysis on the active power control stability of the weak grids-connected VSC ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 21 ）： 6169 - 6183 .

曹炜，钦焕乘，陆建忠，等 . 新型电力系统下虚拟同步机的定位和应用前景展望［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 4 ）： 190 - 207 .

CAO Wei ， QIN Huancheng ， LU Jianzhong ， et al . Orientation and application prospect of virtual synchronous generator in new power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 4 ）： 190 - 207 .

WANG X F ， TAUL M G ， WU H ， et al . Grid-synchronization stability of converter-based resources—an overview ［J］. IEEE Open Journal of Industry Applications ， 2020 ， 1 ： 115 - 134 .

ROSSO R ， WANG X F ， LISERRE M ， et al . Grid-forming converters： control approaches， grid-synchronization， and future trends—a review ［J］. IEEE Open Journal of Industry Applications ， 2021 ， 2 ： 93 - 109 .

LI Y T ， GU Y J ， GREEN T C . Revisiting grid-forming and grid-following inverters： a duality theory ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2022 ， 37 （ 6 ）： 4541 - 4554 .

迟永宁，江炳蔚，胡家兵，等 . 构网型变流器：物理本质与特征［J］. 高电压技术， 2024 ， 50 （ 2 ）： 590 - 604 .

CHI Yongning ， JIANG Bingwei ， HU Jiabing ， et al . Grid-forming converters： physical mechanism and characteristics ［J］. High Voltage Engineering ， 2024 ， 50 （ 2 ）： 590 - 604 .

QORIA T ， GRUSON F ， COLAS F ， et al . Tuning of cascaded controllers for robust grid-forming voltage source converter ［C］// 2018 Power Systems Computation Conference （PSCC）， June 11-15 ， 2018 ， Dublin， Ireland ： 1 - 7 .

WANG S K ， LIU Z ， LIU J J ， et al . Small-signal modeling and stability prediction of parallel droop-controlled inverters based on terminal characteristics of individual inverters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 1 ）： 1045 - 1063 .

胡宇飞，田震，查晓明，等 . 构网型与跟网型变流器主导孤岛微网阻抗稳定性分析及提升策略［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 24 ）： 121 - 131 .

HU Yufei ， TIAN Zhen ， ZHA Xiaoming ， et al . Impedance stability analysis and promotion strategy of islanded microgrid dominated by grid-connected and grid-following converters ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 24 ）： 121 - 131 .

LIAO Y C ， WANG X F ， LIU F C ， et al . Sub-synchronous control interaction in grid-forming VSCs with droop control ［C］// 2019 4th IEEE Workshop on the Electronic Grid （eGRID）， November 11-14 ， 2019 ， Xiamen， China ： 1 - 6 .

DOKUS M ， MERTENS A . On the coupling of power-related and inner inverter control loops of grid-forming converter systems ［J］. IEEE Access ， 2021 ， 9 ： 16173 - 16192 .

ZHAO F Z ， ZHU T H ， HARNEFORS L ， et al . Closed-form solutions for grid-forming converters： a design-oriented study ［J］. IEEE Open Journal of Power Electronics ， 2024 ， 5 ： 186 - 200 .

洪镇堃，占萌 . 构网型变流器并网系统在强弱电网下的分岔分析［J］. 电力自动化设备， 2023 ， 43 （ 9 ）： 27 - 32 .

HONG Zhenkun ， ZHAN Meng . Bifurcation analysis of grid-forming converter system connected with stiff or weak AC grids ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2023 ， 43 （ 9 ）： 27 - 32 .

姜鑫，易皓，卓放，等 . 基于直流电压同步的构网型变流器低频振荡分析与阻尼控制［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 16 ）： 30 - 39 .

JIANG Xin ， YI Hao ， ZHUO Fang ， et al . Low-frequency oscillation analysis and damping control for grid-forming converters based on DC voltage synchronization ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 16 ）： 30 - 39 .

王光宇，付立军，胡祺，等 . 计及电压环影响的虚拟同步发电机低频振荡阻尼分析与控制［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 14 ）： 177 - 184 .

WANG Guangyu ， FU Lijun ， HU Qi ， et al . Analysis and control of low-frequency oscillation damping of virtual synchronous generator considering influence of voltage loop ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 14 ）： 177 - 184 .

薛翼程，张哲任，徐政，等 . 构网型变流器对交流系统低频振荡的影响分析与阻尼控制［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 16 ）： 103 - 113 .

XUE Yicheng ， ZHANG Zheren ， XU Zheng ， et al . Impact analysis and damping control of grid-forming converter for low-frequency oscillation of AC system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 16 ）： 103 - 113 .

方正，黄云辉，严文博，等 . 构网型变流器功率同步控制稳定性机理分析［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 19 ）： 101 - 108 .

FANG Zheng ， HUANG Yunhui ， YAN Wenbo ， et al . Stability mechanism analysis of power synchronization control for grid-forming converters ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 19 ）： 101 - 108 .

HONG Z K ， XU H S ， HOU Z Q ， et al . Origin of anomalous instability of grid-forming converters tied to stiff grid ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2023 ， 17 （ 10 ）： 2563 - 2574 .

刘雨昕，彭克，赵子达，等 . 多虚拟同步发电机并联系统功率低频振荡机理分析［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 19 ）： 89 - 100 .

LIU Yuxin ， PENG Ke ， ZHAO Zida ， et al . Mechanism analysis of power low-frequency oscillations in parallel system of multiple virtual synchronous generators ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 19 ）： 89 - 100 .

洪镇堃，程旻，占萌，等 . 跟网型变流器并网系统锁相同步与功率平衡间的相互作用分析［J/OL］. 中国电机工程学报［ 2024-09-25 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.tm.20240918.1113.002.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.tm.20240918.1113.002.html .

HONG Zhenkun ， CHENG Min ， ZHAN Meng ， et al . Interaction analysis between PLL-based synchronization and power balance of grid-following converters tied to AC system ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ［ 2024-09-25 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.tm.20240918.1113.002.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.tm.20240918.1113.002.html .

杜步阳，邵德军，朱建行，等 . 电压源型变流器并网系统多时间尺度间相互作用［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 20 ）： 5547 - 5559 .

DU Buyang ， SHAO Dejun ， ZHU Jianhang ， et al . The interaction between multiple timescales of the grid-tied voltage source converter ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 20 ）： 5547 - 5559 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

构网型变流器功率同步控制稳定性机理分析

基于直流电压同步的构网型变流器低频振荡分析与阻尼控制

构网型与跟网型变流器混联并网系统配比关键影响因素分析