-PAGE2-電壓支撐型同步機理分析概述與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相對應的便是新能源并網(wǎng)逆變器為基礎的新型電力系統(tǒng)。而新能源并網(wǎng)逆變器又分為電流跟隨型并網(wǎng)逆變器與電壓支撐型并網(wǎng)逆變器。由于本文主要研究內容為電壓支撐型并網(wǎng)逆變器，故電流跟隨型并網(wǎng)逆變器的同步原理可以參考文獻[32]，這里就不加贅述了。而與同步電機并網(wǎng)節(jié)點的機電耦合特性不同的是通過并網(wǎng)逆變器控制方式的不同能夠使新能源發(fā)電并網(wǎng)節(jié)點處呈現(xiàn)出機電解耦的特點。電壓支撐型并網(wǎng)逆變器的同步機理可以分為兩部分：功率外環(huán)部分與電壓電流內環(huán)部分。功率外環(huán)部分可以通過改變環(huán)路結構與控制策略來調節(jié)Pe的閉環(huán)傳遞函數(shù)階數(shù)[33]。當功率環(huán)的傳遞函數(shù)為二階的時候，控制策略包含了：改進型的下垂控制和虛擬同步機（VSG）控制，在這種情況下并網(wǎng)逆變器可以模擬出同步電機的慣性特性，但是在超調量與調節(jié)速度兩者之間必須進行取舍，這就導致了二階的傳遞函數(shù)可能并不能適用于一些要求高的電力系統(tǒng)場合。當功率環(huán)的傳遞函數(shù)為一階的時候，控制策略包含了：基本型的下垂控制、虛擬振蕩器控制和功率同步控制，在這種情況下并網(wǎng)逆變器無法模擬出同步電機的慣性特性，但控制時沒有超調量，調節(jié)時間較快。且功率外環(huán)還通過有無無功功率控制環(huán)分為兩種，即對于電路的輸出無功功率是否進行控制。與電流跟隨型并網(wǎng)逆變器相比，電壓環(huán)是電壓支撐型并網(wǎng)逆變器所特有的。電壓電流內環(huán)可以選擇為電壓電流環(huán)或則僅為電壓環(huán)單環(huán)。電壓單環(huán)的情況下也應增加一個限幅器或則切換器，來應對電網(wǎng)發(fā)生了一些故障如：低阻抗故障、短路故障等能觸發(fā)大電流的情景下帶來的危害。采用切換器做為單電壓環(huán)的補充時，就要求電路有著兩套控制策略，平時采用對于控制輸出電壓與輸出功率效果更好的功率外環(huán)電壓內環(huán)進行控制，而在大電流故障發(fā)生后切換至如矢量電流控制等對于大電流有著較好的控制效果的策略。由于在三相靜止坐標系中，新能源并網(wǎng)逆變器的電力系統(tǒng)是一個多輸入、多輸出的系統(tǒng)，且輸出具有非線性、彼此間耦合系數(shù)強的特點。電壓電流內環(huán)直接對三相交流電進行研究會較為繁瑣，而一般會選擇將三相坐標系變換為靜止（α-β）或同步（d-q）坐標系，這樣就將交流量變?yōu)榱酥绷髁浚绷髁縿t更便于分析且對于信號的跟蹤也有著一定的幫助，且可以較好的實現(xiàn)功率解耦控制，提高系統(tǒng)的動靜態(tài)性能。將各坐標系匯集起來便得到了圖2-4，三相靜止坐標系中的abc三條軸線順時針分布，兩相之間各差120°；兩相靜止坐標系中α軸與三相靜止坐標系中的a軸方向一致，β與α軸相垂直；兩相同步坐標系中，dq兩軸線相垂直，在這兩者上的分量代表著輸出的有功功率與無功功率，同步坐標系又叫旋轉坐標系，坐標系的旋轉速度與其所對應的三相坐標系相關的交流電的角速度一致。圖2-4□各類坐標系在了解了各類并網(wǎng)逆變器的同步控制環(huán)節(jié)的特點后，本文采用的電壓支撐型并網(wǎng)逆變器正常情況下的大致控制圖如圖2-5所示。外環(huán)采用的是單功率外環(huán)來控制輸出有功功率，使輸出有功功率跟蹤其給定值Pref，而對于無功功率則不進行控制。內環(huán)則是采用的單電壓環(huán)對輸出電壓進行控制，使之輸出電壓波形能夠跟蹤功率環(huán)與給定的參考電壓Uref合成的參考電壓Upccref的波形，以此來保障電路的輸出電壓。同步環(huán)通過這兩個控制環(huán)配合使得并網(wǎng)逆變器能起到與電網(wǎng)同步的效果，并保持對于電網(wǎng)電壓的支撐作用。圖2-5□電壓支撐型并網(wǎng)逆變器控制圖而由于本文主要研究的是電壓支撐型并網(wǎng)逆變器所以分析時不考慮會產(chǎn)生大電流的特殊故障的情況，即本文不會詳細介紹大電流所需的電壓環(huán)中設置的切換器與對應的矢量電流控制回路。在觸發(fā)切換器的大電流故障時的控制圖如圖2-6所示。電流回路控制的電流環(huán)用于控制逆變器的輸出電流，使其跟蹤參考值避免過流。而與電壓支撐性型的控制策略所不同的是此時電路與電網(wǎng)之間的同步所依靠的是鎖相環(huán)，其同步機制可參考文獻[34]，此外矢量電流控制的瞬態(tài)特性也是由鎖相環(huán)決定的，其瞬態(tài)穩(wěn)定性與PLL對電路輸出的影響可以參考文獻[35-38]。圖2-6□大電流切換至矢量電流控制時控制圖由1.2節(jié)可以知道并網(wǎng)逆變器的功率角δ為電路能否在擾動發(fā)生后恢復穩(wěn)定運行的關鍵性因素。在本文采用的電壓支撐型并網(wǎng)逆變器電路中，功率角δ（公共連接點電壓與電網(wǎng)電壓之間的相位差）也與輸出功率Pe為強耦合關系。功率同步控制環(huán)輸出值θref的值為：（2-9）其中Ki為功率同步控制環(huán)的積分增益的比例值。表2-1為新能源發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的各類控制方式的時間尺度。由于功率外環(huán)與電壓內環(huán)的時間尺度是解耦的，所以兩者的動態(tài)特性可以進行單獨分析。在分析功率外環(huán)的瞬態(tài)穩(wěn)定性時可以認為公共連接點處的電壓與給定的參考電壓相同，即Upcc=Upccref。時間尺度1s左右100ms左右10ms左右1ms左右控制策略功率控制（故障穿越無功指令等）轉子轉速控制下垂控制、鎖相控、交流端電壓控制、直流電壓控制交流電流控制PWM調制表2-1□三相PSC-VSC主電路參數(shù)（a）（b）圖2-7□電壓支撐型并網(wǎng)逆變器等效電路圖（a）電路圖（b）相位圖圖2-7為電壓支撐型并網(wǎng)逆變器的等效電路圖與相位圖。假設電網(wǎng)電壓初始相位角為0，則電網(wǎng)處的電壓相位角即為θg=w0t，此時根據(jù)公式2-9可以得到功率角δ為：（2-10）再將公式2-8代入2-10，并假設Upcc=Upccref，則可以得到：（2-11）根據(jù)公式2-11可以發(fā)現(xiàn)，功率環(huán)可以采用一階非線性的方程進行表示，輸出功率Pe與功率角δ耦合度高，功率環(huán)正是利用這一點來調節(jié)并網(wǎng)逆變器的輸出使之與電網(wǎng)同步。表2-