摘要：构网型控制是提升“双高”系统稳定性的关键技术，然而，构网型逆变器在大扰动下会出现由限幅环节饱和引发的切换型振荡现象。切换型振荡不仅会导致逆变器失去同步而无法正常运行，而且会造成并网点电压幅值和有功功率的大幅波动，从而引发新能源机组脱网事故，对电力系统的安全稳定

阅读提示：本文约 2500 字

研究背景

近年来，电力系统“双高”（高比例新能源、高比例电力电子设备）特征凸显，作为一种构网型控制策略，虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator，VSG）控制借鉴了传统同步发电机的运行原理，极大地提高了电网稳定性。

VSG控制中通常含有多个限幅环节，当限幅环节作用时，系统的数学模型和运行状态将发生切换，系统轨线在切换边界处可能发生跳变、弯曲和不连续等突然的跃迁行为，进而引发切换型振荡等暂态失稳现象，为电力系统的安全稳定运行带来严峻的挑战。

论文所解决的问题及意义

目前对包括VSG在内的构网型逆变器切换型振荡方面的研究仍鲜有报道。本文揭示了VSG并网逆变器在遭受大干扰后发生的切换型振荡现象的机理和动力学本质，总结了限幅参数和系统参数对振荡特性的影响规律，确定了引起切换型振荡的主导限幅环节以及影响振荡特性的关键参数。本研究可为构网型逆变器的设计、运行与控制提供理论基础与支撑，也有助于制定有效的振荡抑制策略，对维持电力系统安全稳定运行具有重要意义。

论文方法及创新点

1、基于相图法揭示切换型振荡的动力学本质

在考虑角频率限幅、电压幅值限幅、电流限幅和调制波限幅的情况下，故障切除后VSG并网逆变器中出现了控制模式的周期性切换，进而引发周期性功率振荡现象，主导振荡频率为0.36Hz。基于相图法分析发现，切换边界两侧轨线的拓扑结构不同，形成了非光滑极限环，揭示了切换型振荡现象的动力学本质为系统发生了非光滑分岔。

图1 并网点有功功率的时域波形

图2 并网点有功功率的幅频特性

图3 w -d' 相图分析

图4 jq-d'-Id,ref 相图分析

图5 d'- Iq,ref -Er,ref 相图分析

2、确定了引起切换型振荡的主导限幅环节，总结了限幅环节参数对振荡特性的影响规律

对比不同类型限幅环节作用下系统的非光滑分岔特性，结果表明，电流限幅和调制波限幅是引起切换型振荡的主导限幅环节，角频率限幅对振荡的平均振幅和振荡频率有一定影响。此外，当限幅值越小时，系统越容易发生切换型振荡，且振荡的振幅和频率均随限幅值的减小而减小。

表1 放开单个限幅对非光滑分岔特性的影响

表2 电流限幅值对非光滑分岔特性的影响

3、总结了系统参数对切换型振荡特性的影响规律，确定了影响非光滑分岔特性的主导参数

基于VSG并网逆变器的功角方程和非光滑分岔理论，分析发现短路比、直流母线电压、电流限幅值、阻尼系数和线路阻抗角对切换振荡的平均振幅影响较大；而有功下垂系数、无功下垂系数、电流限幅值、短路比和阻尼系数对振荡频率影响较大。

表3 阻抗角对非光滑分岔特性的影响

表4 系统参数对切换型振荡特性的影响

结论

本文基于相图法揭示了VSG并网逆变器在大扰动下由限幅环节饱和引发的切换型振荡现象的动力学本质为系统发生了非光滑分岔，其失稳机理和影响因素较传统的暂态同步失稳更为复杂，是一种重要的失稳形式。电流限幅和调制波限幅是引发切换型振荡的主导限幅环节，限幅值、故障程度、线路阻抗和下垂系数对非光滑分岔特性有较大影响。

团队介绍

研究人员隶属于西安交通大学电气工程学院先进电磁调控与能量转换技术研究中心，中心负责人为马西奎教授。近年来，研究中心在电力电子和新能源发电系统的复杂动力学行为分析研究方向已完成了多项国家级、省部级和企业委托的研究项目，出版学术专著1部，在国内外高水平刊物上发表论文90余篇，被引2000余次，单篇最高被引350余次。

本文的通讯作者为西安交通大学杨黎晖副教授、博士生导师。近年来主持国家自然科学基金项目、陕西省级项目以及校企合作项目多项。在国内外著名学术期刊及会议上发表SCI、EI收录论文五十余篇，ESI高被引论文2篇，SCI论文被引900余次。

纪君奇

博士研究生，研究方向为电力电子装备同步稳定分析与控制。

杨黎晖

副教授，博士生导师，研究方向为新能源发电系统的分析、运行与控制。

马西奎

教授，博士生导师，研究方向为电气工程中的多种物理场的耦合理论及其数值分析和软件技术，通信与电子系统中的电磁场与电磁波、电磁干扰和电磁兼容性设计，电力电子系统非线性动力学分析。

本工作成果发表在2024年第24期《电工技术学报》，论文标题为“基于虚拟同步发电机控制的并网逆变器切换型振荡及其非光滑分岔特性“。

引用本文

纪君奇, 杨黎晖, 马西奎. 基于虚拟同步发电机控制的并网逆变器切换型振荡及其非光滑分岔特性[J]. 电工技术学报, 2024, 39(24): 7860-7873. Ji Junqi, Yang Lihui, Ma Xikui. Switched Oscillation and Its Non-Smooth Bifurcation Characteristics in Grid-Connected Inverter Based on Virtual Synchronous Generator Control. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(24): 7860-7873.

中国电工技术学会

新媒体平台

电工技术学报

CES电气

学会官方B站

CES TEMS

学会科普微信

大赛官方微信

来源：11不吃香菜a