- 頭條弱電網情況下，如何抑制三相并網變流器的頻率耦合問題2020-07-19 作者：張學廣、夏丹妮、陳文佳、陳烈、徐殿國 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院、上海建坤信息技術有限公司的研究人員張學廣、夏丹妮、陳文佳、陳烈、徐殿國，在2019年第21期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“三相并網變流器弱電網下頻率耦合抑制控制方法”），該文針對弱電網情況下三相并網變流器的頻率耦合現象的產生機理和抑制方法開展了研究。 首先在靜止坐標系下針對三相并網變流器進行復矢量形式的導納建模，模型中考慮了控制器中電流環、鎖相環和直流電壓環的影響。然后在模型基礎上重點研究了鎖相環和直流電壓環對頻率耦合特性的影響，基于系統的等效傳遞函數框圖，分析了在弱電網條件下頻率耦合分量對系統穩定性的影響。 為了抑制頻率耦合特性，針對系統中由于鎖相環影響q軸電壓和直流電壓環影響d軸電流引起的dq軸不對稱的問題，提出了補償鎖相環和電壓環不對稱影響的頻率耦合抑制控制方法，理論分析表明該改進控制方法可以有效抑制頻率耦合現象，提高系統穩定性。最終通過實驗驗證了所提頻率耦合抑制方法的有效性。
近年來，弱電網運行條件下的三相并網變流器穩定性問題受到廣泛關注。弱電網條件下，電網阻抗與并網變流器相互耦合，會影響系統的穩定運行，因此有必要針對并網變流器在弱電網條件下的穩定性問題進行分析，研究能夠提高并網變流器弱電網下適應能力的控制方法。
在各種并網變流器與電網交互作用的現象中，頻率耦合問題逐漸得到關注。有學者在dq域和序域定義了鏡像頻率解耦系統（Mirror Frequency Decoupled, MFD），并指出在非鏡像頻率解耦系統中存在鏡像頻率耦合現象。引起鏡像頻率耦合的主要因素包括鎖相環、非對稱電流環及直流電壓外環等，從而為頻率耦合的分析奠定了基礎。
有學者指出鎖相環對q軸的單獨控制和電壓環對d軸的單獨控制均會導致控制器結構不對稱。在這種dq非對稱系統中，經坐標變換后，在靜止坐標系下存在兩個交互影響的擾動頻率分量，即頻率耦合現象。
當電網呈現弱電網特性時，隨著電網阻抗的增大，控制器中鎖相環和直流電壓環與電網阻抗之間的交互影響加深，諧振頻率趨于低頻段，加劇了系統頻率之間的耦合，導致系統不穩定。
- 有學者分析了弱電網條件下鎖相環與電網阻抗之間的耦合作用，指出電網阻抗與鎖相環帶寬的增大均會導致系統失穩。
- 直流電壓環會在d軸引入負阻尼，有學者基于狀態空間模型分析了系統根軌跡隨直流電壓環增益的變化趨勢，指出隨直流電壓環增益的增大，系統中出現中低頻段的振蕩。
- 有學者指出dq軸不對稱諧振的出現取決于電網阻抗的強度，短路比越低越容易出現不對稱諧振，而不對稱諧振引起的頻率耦合特性在弱電網條件下會危害系統的穩定性。同時變流器直流側與交流側之間的不對稱關系也使變流器主電路存在頻率耦合特性。
- 有學者以背靠背變流器作為研究對象，通過推導頻率耦合分量的傳遞函數，分析了鎖相環、電網阻抗直流電壓環等因素對頻率耦合的影響。
通常采用基于阻抗模型的方法對并網變流器穩定性問題進行分析。旋轉坐標系下的dq阻抗模型建模方法較為簡單，但在面對旋轉坐標系下控制器不對稱引起的頻率耦合問題時，該方法無法體現頻率耦合關系。傳統序阻抗模型可以用來分析正負序之間的耦合，但是無法對兩個正序分量之間的耦合進行分析。
- 有學者提出一種改進的序阻抗模型，說明了該改進序阻抗模型中的頻率耦合現象與dq阻抗模型中d軸q軸耦合之間的聯系，拓展了序域阻抗的建模范圍及頻率耦合的研究范圍。
- 有學者提出了改進序阻抗與dq阻抗矩陣的相互轉換關系以及改進序阻抗模型降階為傳統序阻抗模型的方法，并給出了降階條件，通過該方法可以把dq阻抗模型建模簡單的優勢與傳統序阻抗穩定性分析方便的優勢相結合。
- 有學者提出了一種將多輸入多輸出的dq阻抗模型轉換為單輸入單輸出的序阻抗模型的方法，該方法可以用來分析存在序域耦合的非對稱系統的穩定性。
采用復矢量形式建立的靜止坐標系下的阻抗模型因其凸顯系統中的頻率耦合關系，使其適用范圍最廣。
- 有學者提出了一種基于復矢量的坐標變換方法，適用于在不同坐標系下的建模轉化，通過該方法可以將dq阻抗模型和序阻抗模型轉換成復矢量的表示形式。
- 有學者應用該方法把傳統的dq阻抗模型變換到靜止坐標系下，建立了兩相靜止坐標系下的三相并網變流器統一阻抗模型。
- 有學者采用復矢量表示方法推導了考慮鎖相環影響的三相并網逆變器單輸入雙輸出的自導納和伴隨導納傳遞函數，并在此基礎上分析了頻率耦合產生機理。
目前，在變流器建模過程中，綜合考慮鎖相環和電壓環對頻率耦合分量影響的研究還有所不足；弱電網條件下，對三相并網變流器中存在的頻率耦合關系對系統穩定性影響的分析相對較少；對如何抑制頻率耦合分量的研究還不夠充分。
本文針對弱電網情況下三相并網變流器的頻率耦合現象的產生機理和抑制方法開展了研究，旨在抑制系統中存在的頻率耦合，提高系統穩定性。首先在靜止坐標系下建立了考慮電流環、鎖相環和直流電壓環的三相并網變流器復矢量導納模型。分析了鎖相環和直流電壓環對頻率耦合特性的影響，及頻率耦合分量對系統穩定性的影響。提出了補償鎖相環和電壓環的不對稱影響的頻率耦合抑制控制方法，最后通過實驗驗證了理論分析的正確性。
圖14 三相并網變流器實驗平臺的實物圖
結論
本文在靜止坐標系下采用復矢量表示形式建立了三相并網變流器等效導納模型。基于所建立模型，將三相并網變流器系統轉換為復矢量形式的等效電路，從中推導出系統的等效開環傳遞函數，并基于開環傳遞函數伯德圖和奈奎斯特圖分析了影響系統穩定性的因素。
基于上述分析，在弱電網下分別提出了針對鎖相環和直流電壓環不對稱控制引起的頻率耦合現象的抑制控制方法。分析表明，綜合考慮直流電壓環和鎖相環的頻率耦合抑制控制方法可以降低頻率耦合分量，提高系統穩定性。
該方法對系統暫態性能中上升時間有一定影響，但影響較小。最終通過實驗結果驗證了以上分析，證明了所提方法的正確性和有效性。本文所提方法重點解決了由頻率耦合引起的系統穩定性問題，為改善系統性能提供了一種新的思路。該方法可與增加阻尼的控制方法相結合，進一步降低諧波畸變率，提高系統穩定性。
