图1 含大规模变流器与直流输电构成的送/受端系统的典型场景
Fig.1 Typical scenario for send/receive system with large scale converters and HVDC
摘要 以新能源为主体的新型电力系统暂态电压问题极大地影响电网稳定运行及大规模新能源消纳，发掘新能源场站多机变流器的动态无功补偿能力是适应新型电力系统暂态电压控制需求的关键。因此该文提出受控电压/电流源型变流器混合多机暂态电压支撑策略，首先分析了暂态电压支撑需求和混合多机暂态电压主动支撑的关键因素；然后研究混合多机暂态电压支撑控制模式，将两变流器控制模式特性进行互补，重点对变流器暂态控制策略进行改进，提出柔性限幅结合暂态有功阻尼控制提高混合多机的动态无功补偿能力及可靠性，自适应补偿控制提高混合多机动态无功输出准确度，共同实现暂态电压的可靠支撑，并进一步分析了参数整定方法；最后通过全面的仿真和实验分析验证所提策略的有效性和实用性。
关键词：受控电压/电流源 混合多机 暂态电压 支撑策略
随着“双碳”目标的提出，新能源消纳需求及外送新能源能源容量占比逐渐增加，大规模并网变流器及高压直流输电系统使电网对暂态电压提出了更高的控制要求。因交流/直流系统故障、控制等引起暂态电压的波动及恢复过程深刻影响着变流器、交流/直流系统的控制过程，在多回大容量直流馈入、大规模区域电网互联的背景下，暂态电压稳定还关系到互联电网的电压/频率稳定性、电网故障的连锁反应，因此电网的暂态电压支撑能力已成为降低故障影响和保障电网稳定运行的重要约束[1-6]。
包含大规模变流器与直流输电构成的送/受端系统的典型场景如图1所示。在新能源容量占比逐渐提高的趋势下，新能源场站的电压稳定性及无功输出能力是暂态电压控制的关键[7-10]。当前交直流混联电网主要通过加装静止无功补偿器（Static Var Compensator, SVC）、静止无功发生器（Static Var Generator, SVG）、调相机等动态无功补偿设备提供新能源场站、直流换流站自身所需的暂态电压支撑[11-12]，但动态无功补偿设备对电网暂态电压的支撑能力有限；另外新能源场站与电网的暂态电压交互研究也大多集中在单机变流器设备的稳定控制及高低压故障穿越方面[13-16]。因此在多机变流器暂态电压支撑方面仍然有较大的研究空间。
图1 含大规模变流器与直流输电构成的送/受端系统的典型场景
Fig.1 Typical scenario for send/receive system with large scale converters and HVDC
新能源变流器按控制模式的不同作用可以分为受控电压源型和受控电流源型变流器[17-18]。受控电压源型变流器外特性表现为受控电压源，内置电网固有同步，对弱电网有很好的适应性。受控电压源型变流器控制方面已有一定的研究，文献[19-21]总结分析了受控电压源型变流器典型控制及应用；文献[22-25]对受控电压源型变流器的暂态稳定性进行了研究。但当前研究对受控电压源型变流器暂态电压工况下的控制要点及相应的解决策略分析较少。受控电流源模式依靠锁相环与电网保持同步，按照指令要求向电网中注入电流，文献[26-28]对受控电流源型变流器的同步稳定性进行了分析，对锁相环的依赖使得受控电流源型变流器难以适应新能源高比例接入弱电网的场景。当前含两种控制模式变流器组多应用于微电网，且研究集中在稳态运行控制。文献[29-30]研究了稳态运行下多变流器并联的控制模式；文献[31]研究了含两种控制模型的多并联变流器的下垂控制改进；文献[32-34]从电网调度和变流器控制的角度研究了含两种控制模型的多机变流器的无功功率分配。针对受控电压源/电源型变流器的优缺点互补，文献[35]提出了变流器自适应电网强度切换受控电压/电流源型控制模式的策略，提升了变流器对电网阻抗的适应性，但是强弱电网的判断及控制模式的切换降低了对暂态电压的响应速度；文献[36]通过单变流器控制目标的切换实现暂态电压支撑，其功能的实现仍依靠与电网的同步；文献[37]分析故障后暂态失步机理，从同步角度分析受控电流源型变流器的暂态稳定及其改进策略，但不涉及在失去同步条件情况下受控电流源型变流器的控制策略；文献[38]研究了受控电压源型变流器在故障后的振荡抑制，但参数整定复杂且没有涉及对同步策略的改进；文献[39]研究了受控电压源型变流器的瞬时功率计算问题，仍需进一步对在暂态电压控制中的应用进行研究。综上所述，当前基于受控电压/电流源型变流器的混合多机系统的暂态电压特性分析及相关支撑控制的研究仍然较少。
本文对多机变流器系统的系统暂态电压的支撑能力进行挖掘，多机变流器系统的暂态电压支撑的难点主要包括：①可靠提升暂态工况下场站的短路容量及锁相同步的稳定性；②具有足够的无功功率输出以改变电压。针对以上问题，本文将受控电压/电流源型变流器混合多机系统作为暂态电压主动支撑的方案，弱电网情况下受控电压源型变流器提供可靠和稳定的电压源，提高系统短路容量及提供稳定的锁相同步条件，受控电流源型变流器提供足够的补偿容量，首先对受控电压/电流源型变流器的暂态电压控制特性、含大规模新能源及高压直流输电系统电网的暂态电压需求进行分析；然后以此为基础提出混合多机系统暂态电压支撑的控制模式，将受控电压/电流源型变流器控制特性进行结合互补，其中提出的暂态改进策略是实现暂态电压支撑的关键，柔性限幅结合暂态有功阻尼控制保证暂态下混合多机内部电压源特性及提高内部电压源稳定程度，通过自适应补偿控制解决多机系统的动态无功补偿精度，提高混合多机暂态电压支撑的可靠性和准确度，并进一步分析了其中关键参数的整定方法；最后通过仿真和实验对基于提出暂态电压支撑策略的混合多机系统暂态电压过程及控制性能进行了分析和验证。
受控电压源型变流器控制模型如图2所示，其中，Uc为变流器输出电压，xf1、xf2、Cf分别为变流器机侧滤波电感、连接电感、支撑电容，Ut为系统电压，Pref为有功功率给定值，P为有功功率实际值，Q为无功功率实际值，UCref为电容电压给定值，Igref为电流环给定值，Utref为系统电压给定值，Udcref为直流电压给定值，Ig为机侧电流，θ为控制相位，dabc为输出调制波。
图2 受控电压源型变流器控制模型
Fig.2 Control model of controlled voltage source converter
受控电压源型变流器因其电压源特性，对弱电网的适应能力强，无功功率输出速度快但精度不够，暂态工况下无功输出能力还受到电流限幅[40-42]和有功功率扰动的限制。在暂态工况下，由于控制目标的扰动较大，变流器输出电流极易超出限幅，使得受控电压源型变流器保护动作退出或进入受控电流源控制模式，从而失去了原有的电压支撑能力；另外，由于有功功率控制的时间常数较大，暂态过程有功功率极易大范围振荡，考虑变流器的电流输出能力，有功功率振荡会限制变流器的电压稳定能力。
受控电流源型变流器控制模型如图3所示，其中θpll为锁相环所得相位。受控电流源型变流器可以输出精准的无功功率，但对弱电网适应性差，暂态工况下无功输出能力主要受到变流器自身容量和稳定性的限制。稳态下通常以有功功率输出为主，受变流器器件的容量限制，暂态工况下需要对有功和无功出力重新分配；与电网同步的可靠性随着电网强度的降低而下降，同时弱电网暂态工况下受控电流源型变流器输出波动较大，也不利于系统稳定。
图3 受控电流源型变流器控制模型
Fig.3 Control model of controlled current source converter
与稳态无功补偿和传统电网的暂态电压支撑相比，新型电网暂态电压支撑需求主要基于高压直流输电（High Voltage Direct Current, HVDC）及新能源变流器的运行特性，支撑需求主要包括可靠的锁相同步、支撑容量、调节速度三方面。调节速度方面，依据HVDC和各类柔性交流输电装置（Flexible Alternative Current Transmission Systems, FACTS）接入对电力系统的暂态电压的稳定要求，允许设备级连续换相失败造成的功率波动时间约为160～200ms，在此时间段内通过足够的动态无功出力，避免连续换相失败出现是暂态电压控制的关键。
根据受控电压/电流源型变流器的控制特性，受控电压/电流源型变流器并联的等效电路如图4所示。其中，Is为系统电流；Ys为系统导纳；Ueq,1,
, 
为受控电压源型变流器等效受控电压源；Iv,1, , 
为受控电压源型变流器支路电流；Yveq,1, , 
为受控电压源型变流器等效串联导纳；Ieq,1, , 
为受控电流源型变流器等效受控电流源；Ii,1, , 
为受控电流源型变流器支路电流；Yieq,1, , 
为受控电压源型变流器等效并联导纳；UL为锁相依据电压；n1为受控电压源型变流器数量；n2为受控电流源型变流器数量。
图4 变流器并联架构等效电路
Fig.4 Equivalent circuit of the parallel converter
由等效电路可得锁相电压和受控电压源单支路电流的表达式为
（1）
对式（1）进行分析可知，锁相电压UL包含系统电压源Ut分量和各个受控电压源分量Ueq,i。当系统电压发生暂态电压工况，尤其是当Ut下降幅值较大（降至20%以下）时，由于锁相环控制带宽和系统阻抗等原因，受控电流源型变流器容易失稳，而受控电压源分量的存在可以保证受控电流源型变流器仍有可靠的同步来源以保证受控电流源型变流器的输出；另一方面，当系统电压Ut下降较大时，受控电压源的存在可以保证UL有一定的幅值，进而保证了新能源场站的短路容量，即保证了场站对系统电压的支撑容量能力。由以上分析可以看出，稳定可靠的受控电压源是保证场站暂态无功支撑能力的关键。
考虑电网暂态电压工况开始时刻，场站内电气量保持不变，因系统电压变化引起的受控源支路电流变化由式（1）可进一步写为
（2）
式中，ΔIv,1为受控电压源支路电流变化量，ΔIi,1为受控电流源支路电流变化量；ΔUt为系统电压变化量。
由式（2）可以看出，暂态工况初始时刻较大的系统电压变化会造成受控源支路电流的快速变化。此时的电流变化量并不受变流器自身控制的限制，同时多个受控源支路会分担总体电流变化。考虑功率器件的耐流和发热限制，以及为防止因暂态均流情况不佳造成某受控源支路电流变化大于其他支路，需要在后续时刻通过变流器控制作用对受控电压/电流源型变流器的暂态过电流进行限制功率，尽量降低过电流的影响，提高安全裕度。
在暂态工况下往往伴随较大的有功功率、电压波动，受控电压源型变流器的相位控制来自于有功功率控制，下垂同步控制公式如式（3）所示。暂态工况下适当地提高有功功率阻尼可以提高同步相角的稳定度，有利于受控电压源型变流器的稳定运行。
（3）
式中，θ为下垂控制输出相位；mp为下垂系数；ωoff为角速度偏置。
在可靠的锁相同步条件和一定短路容量前提下，暂态电压工况需要受控电流源型变流器输出大量且准确的无功功率以支撑电压，而在正常状态下的受控电流源型变流器主要输出有功功率，结合暂态过电流的限制需求，因此受控电流源型变流器需要根据暂态情况进行自适应补偿控制。
综合以上对暂态电压控制需求、受控电压/电流源型变流器控制特性的分析，可以将受控电压/电流源型变流器的优势进行互补，协调两者之间的控制，利用多机变流器系统对电网暂态电压进行主动支撑。暂态支撑能力的关键点包含以下几点：
1）在弱电网暂态情况下，依靠受控电压源型变流器为受控电流源型变流器提供稳定的电压，提高低电压情况下的短路容量，使得受控电流源型变流器可以可靠地通过锁相环实现与电网的同步，准确稳定地向电网注入目标电流。
2）暂态工况下受控电流源型变流器需要输出准确的无功功率支撑暂态电压及电压的恢复。
3）受控电压源型变流器暂态情况下不能因电流限幅转成电流源特性而无法提供可靠电压。
4）受控电压源型变流器的有功功率输出在暂态情况下应具有较强的阻尼，以保证暂态过程受控电压源型变流器的控制电压稳定程度。
混合多机控制模式见表1。混合多机系统的总体控制架构如图5所示，其中UCd、UCq分别为滤波电容上电压dq分量，Ig为变流器机侧电流，igdref、igqref分别为dq轴电流给定值，igd、igq分别为dq轴电流实际值，Pref为有功功率给定值，Qref为无功功率给定值，UCdref为控制电压给定值。混合多机系统中受控电压/电流源型变流器的控制模式主要包含稳态和暂态情况下的功率协调控制和电压协调控制。暂态工况下，受控电压源型变流器的输出电压调节速度要大于受控电流源型变流器的功率调节速度，为保证受控电压源的稳定，通过柔性限幅控制保证变流器的电压源特性限制及限制过电流，也限制受控电压源型变流器的电流波动；通过控制有功功率波动阻尼降低电压变化对有功变化的影响，从而提高受控电压源型变流器的电压稳定程度；受控电流源型变流器通过自适应补偿控制使其暂态情况下输出足够的无功功率提高受控电压源型变流器的输出电压。
表1 混合多机控制模式
Tab.1 Hybrid multi-converter control model
受控电压源型变流器受控电流源型变流器 暂态稳态暂态稳态 连接方式并联 功率协调降低有功功率波动按稳态调度目标控制有功功率，正常电压波动下提供必要无功补偿减少有功功率，增加无功功率，补偿受控电压源型变流器输出电压按稳态调度目标进行功率控制 电压协调电压调节快于电流源型变流器功率调节速度按调度目标稳定电压依据受控电压源型变流器的输出电压锁相依据电网电压进行锁相 控制目标输出电压、有功功率输出电压、有功功率有功功率、无功功率有功功率、无功功率 控制策略电压-电流双环控制、下垂控制、暂态有功阻尼控制、柔性限幅控制电压-电流双环控制、下垂控制功率-电流双环控制、自适应补偿控制功率-电流双环控制 时间尺度/ms0～300＞3000～300＞300
图5 混合多机控制策略总体架构
Fig.5 Control strategy architecture of hybrid multi-converter
针对受控电压源型变流器在暂态电压控制中存在的问题，本文从闭环控制和同步控制两方面，提出暂态电流的柔性限幅结合暂态有功功率阻尼控制的控制方法，改进控制策略如图6所示。柔性限幅通过虚拟阻抗的方式实现，有功功率波动的阻尼控制通过引入电压的波动实现，二者共同提高暂态过程电压控制的可靠性和平稳度。其中Gvd(s)、Gvq(s)分别为电压dq轴控制环节，Gid(s)、Giq(s)为电流dq轴控制环节，Rv为虚拟阻抗，vLv-d、vLv-q分别为虚拟阻抗电压的dq轴分量，EN表示使能，即条件满足时在给定值中叠加vLv-d、vLv-q，igdref、igqref分别为机侧电流dq分量给定值，igd、igq为机侧电流dq分量，Ig_v为机侧相电流峰值的限值，Igqref_max为q轴电流限值；UC_rms为变流器控制目标滤波电容上电压有效值，Tw为高通滤波环节参数，T1、T2为超前滞后环节补偿参数，Ka为放大系数。
图6 受控电压源型变流器改进控制
Fig.6 Improved control strategy of controlled voltage source converter
为使受控电压源型变流器在电流越限情况下仍保持电压源控制特性，其电流给定值限幅采用式（4）所示的计算方式，即依据变流器控制电流d轴分量和变流电流限值计算变流器控制电流q轴分量的限值。
（4）
将虚拟阻抗补偿电压引入受控电压源型变流器控制给定值，如图7所示，将虚拟阻抗对应的电压叠加在dq控制目标值上，降低大扰动情况下的电压波动。另一方面为保证受控电压源型变流器的电压控制响应速度，通过高通滤波器Gf(s)使虚拟阻抗电压控制仅在电流超限的情况下投入。dq坐标系中虚拟阻抗压降及高通滤波器如式（5）所示。
（5）
式中，ωhpf为高通滤波器频率参数。
图7 受控电流源型变流器改进控制
Fig.7 Improved control strategy of controlled current source converter
变流器输出有功功率的变化为
（6）
式中，ΔPe为变流器有功功率变化值；Δδ为功角变化值；ΔUc为变流器输出电压即电容上电压变化值；Seq为功角变化系数；Req为电容电压变化系数；E为系统电压；xde为等效连接阻抗。由式（6）可以看出，变流器有功功率的变化主要包含两部分：①功角变化引起的功率波动；②电压引起的功率波动。
受控电压源型变流器的有功功率下垂控制如式（3）所示，对有功功率与目标值的偏差进行控制，对其中因电压变化引起的波动也会有响应，而电压的波动因电压闭环控制的存在最终会稳定。因此因电压变化引起的有功功率波动可视作功率控制中的干扰。
通过抑制变流器有功功率控制中对电压波动的响应，可以实现加大有功功率波动阻尼的效果，在促进变流器稳定运行的同时也可保证受控电压源型变流器的无功输出能力。如图6暂态有功阻尼控制部分所示，为保证阻尼控制在稳态情况下不会对正常控制产生影响，对引入的电压波动进行高通滤波，并通过超前-滞后环节进行一定的相位补偿，补偿后作为电压波动量叠加到有功功率控制给定值，抵消电压变化引起的有功波动，提高暂态下有功功率阻尼。
受控电流源型变流器的暂态电压支撑能力主要受限于稳定的锁相条件和足够的暂态无功输出能力，稳定的锁相条件可以由改进后的受控电压源型变流器提供，因此本文对受控电流源型变流器的改进主要集中在对暂态无功输出能力上。
受控电流源型变流器暂态电压控制框图如图7所示，其中Utdead1、Utdead2分别为自适应补偿依据的变流器输出电压上、下阈值，F0(s)、F(s)分别为电压环控制环节和电流环控制环节。
受控电流源型变流器稳态情况下基本以单位功率因数运行，电力电子设备受限于过流能力，变流器的总体输出能力是需要考虑的因素，在暂态工况下需要暂态无功输出的情况下，必须对功率控制的给定值进行变化。根据式（1）可得无功补偿需求量为
（7）
式中，Qcc为受控电流源型变流器暂态无功控制叠加量；Kcc为叠加系数。
将无功补偿量作为控制目标的变化，叠加到现有的无功功率控制目标，并从有功功率目标中减去，从而可以提高受控电流源型变流器的暂态无功输出，并保证变流器总体输出电流在可靠范围内。为保证暂态无功控制不影响正常的稳态调节，暂态无功控制根据控制点电压情况进行投入和退出。
1）柔性限幅控制参数整定
虚拟阻抗Rv的设计需考虑两个因素：①限制变流器输出电流不超过安全阈值；②引入虚拟阻抗后的变流器控制稳定性。
变流器控制电流和电容电压、公共连接点（Point of Common Coupling, PCC）电压关系如式（8）所示。
（8）
式中，Uo为变流器滤波器前输出电压；Us为多变流器并联点电压；Z1、Z2、Z3分别为机侧滤波器、网侧滤波器、滤波电容的阻抗。
变流器输出电流包含电容电压和PCC电压产生的电流两部分，通过引入变流器控制电流的反馈改变被控对象的值来实现对输出电流的限幅，假定变流器电流限幅值为Igmax，将控制目标电容电压的下降近似变流器滤波器前输出电压的下降，则被控对象、虚拟阻抗与限流限幅的关系可近似表示如式（9）所示，进而可得虚拟阻抗的取值范围，可对Ig幅值进行有效限制。
（9）
式中，Uctr为暂态工况初始时刻变流器滤波器前输出电压，可取额定输出电压；Utr为暂态工况初始时刻PCC电压，可按20%额定值选取。
引入虚拟阻抗电压后的控制系统如图8所示，其闭环传递函数为
（10）
式中，Gv、Gi分别为电压环和电流环控制；Kpv、Kiv为电压环控制参数；Kpi、Kii为电流环控制参数；Yuc为反馈阻抗，Km为变流器放大系数。
图8 引入虚拟阻抗后的控制系统
Fig.8 Control system with virtual impedance
虚拟阻抗电压引入后变流器的稳定性与Gv、Gi的控制参数、线路参数等关联，选取如表2所示的两组两组Gv、Gi参数，由式（10）可得如图9所示在Rv变化情况下的广义根轨迹。通过对比可以看出，参数1情况下系统稳定，而参数2情况下系统条件稳定；确定控制系统参数后，结合通过式（9）确定的Rv取值范围后，通过稳定性需求选取式（10）的特征根，进一步确定Rv的取值。
表2 控制系统主要参数
Tab.2 Main parameters of the control system
电路参数数值控制参数1数值控制参数2数值 Km400Kpi1Kpi0.1 L1/mH0.2Kii600Kii150 L2/mH0.1Kpv0.1Kpv0.1 C/mF800Kiv500Kiv100
图9 不同参数下根轨迹
Fig.9 Root locus with different parameters
2）暂态有功阻尼控制参数整定
对于受控电压源型变流器的有功功率阻尼控制，整定参数主要包括放大系数、高通滤波器和超前滞后环节参数，整定依据如下：①为补偿因电压变化而引起的有功功率变化，放大系数Ka对应式（6）中的系数Req，参考正常电压下的较大功角设计放大系数的值；②对于高通滤波器的参数，应以滤除 0.1 Hz以下信号的原则进行参数选取；③超前滞后环节用来补偿测量和滤波过程中造成的相位滞后，可根据0.1～10 Hz频率段的滤波器相位变化，通过二次项拟合的方式设计超前滞后环节的参数。
3）自适应补偿控制参数整定
受控电流源型变流器暂态电压自适应补偿控制整定参数主要为系数Kcc和Qcc的限幅，整定依据如下：①参考无功补偿计算公式，Kcc应为线路阻抗的倒数；Kcc的选取决定了暂态工况下受控电流源型变流器的无功输出，同时由于新能源场站中存在动态无功补偿设备SVG，也可以在暂态工况下输出无功功率，因此在工程实践中的具体取值要根据场站整体在暂态电压工况下的最大暂态无功需求确定。②对于Qcc的限幅，考虑低电压情况下变流器有最低有功功率的需求进行选取。
考虑变流器设备的容量，为充分体现变流器控制的作用及考虑到系统短路容量，将图1所示的电网系统等效至0.38 kV电压等级，基于PLECS仿真平台搭建如图10所示的混合多机系统，包括1个受控电压源型变流器和2个受控电流源型变流器，由于直流环节在暂态过程中可近似认为处于稳定状态，为简化和更具一般性，直流环节采用直流电压源[43-45]，仿真系统主要参数见表3。当前大规模新能源并网经高压直流输电系统进行电能传输，其中由于短路等故障易引起的电压骤降工况，以及电压恢复过程中未及时切除无功补偿引起的电压骤升工况较为典型和普遍，针对这两种典型暂态电压工况进行仿真，通过模拟系统电压骤降和骤升，对受控电压/电流源型变流器的附加控制、混合多机系统的暂态电压控制特性进行分析。
图10 仿真分析系统
Fig.10 Simulation system of the hybrid multi-converter
表3 仿真参数
Tab.3 Main parameters of the simulation system
参数数值 受控电流源型变流器滤波器L1/mH0.2 R1/Ω0.01 C/μF200 L2/mH0.1 R2/Ω0.01 电流环PI参数Kpi0.5 Kii100 电压环PI参数Kpv0.1 Kiv50 PLL参数Kp_pll50 Ki_pll100 控制给定P/MW0.5 Q/var0 暂态控制目标变换Kcc1.5 受控电压源型变流器阻抗及支撑电容L1/mH0.2 R1/Ω0.01 C/μF800 L2/mH0.1 R2/Ω0.01 电流环PI参数Kpi1 Kii600 电压环PI参数Kpv0.5 Kiv500 控制给定Uc/kV0.38 P/MW0 下垂控制mp0.02 柔性限幅ωhpf/(rad/s)4 Rv0.003 Ig_rms_v/A1 500 暂态有功阻尼控制Tw0.15 T10.15 T20.015 Ka0.02 开关频率fs/kHz10 系统阻抗Ls1/mH0.13 直流电压Vdc/V800
按照电网相关规定，系统电压下降至20%后要求变流器持续运行1 s，因此模拟系统电压骤降的暂态电压工况下降至20%持续1 s后恢复。首先对受控电压源型变流器的作用进行分析验证，将只含2台受控电流源型变流器并联的单模式架构和含有1台受控电压源型变流器与2台受控电流源型变流器的混合多机系统在电压骤降情况下的运行情况进行对比。
图11为2台受控电流源型变流器并联的单受控源模式在暂态工况下的输出电压dq分量、输出电流dq分量、有功功率、无功功率等仿真结果，变流器采用传统控制，可以看到受控电流源型变流器并联架构由于锁相环、系统阻抗、功率控制目标无法达到等原因导致电压暂降后系统失去稳定，在电压恢复后也无法稳定。
图11 电压骤降单模式运行情况
Fig.11 Performance of single controlled current source converter architecture when voltage sag
图12为含有1台受控电压源型变流器和2台受控电流源型变流器的混合多机系统采用传统基本控制在电压暂降工况下的仿真情况，其中图12a为并联点电压，图12b、图12c分别为受控电压/电流源型变流器输出电压dq分量、输出电流dq分量、有功功率、无功功率。从图中可以看出，传统控制下暂态工况系统仍无法保持稳定，但系统电压恢复后可以维持回复到稳定运行。
图13为混合多机系统中仅有受控电流源型变流器采用改进控制（半改进）与全采用改进控制（全改进）的对比情况，其中图13a为并联点相电压有效值对比，图13b、图13c分别为受控电压/电流源型变流器输出电压dq分量、输出电流dq分量、有功功率、无功功率对比情况。图14a为暂态有功阻尼控制输出，图14b为阻尼控制对有功功率的控制对比。图15a为柔性限幅部分的输出，图15b为受控电压源型变流器输出电流dq分量的方均根对比。
图12 电压骤降下无改进策略混合多机运行情况
Fig.12 Performance of hybrid multi-converter with traditional strategy when voltage sag
从仿真结果中可以看出，这两种情况下暂态工况时系统都可以保持稳定，与图11、图12对比，受控电压源型变流器的加入有助于提升多并联变流器的暂态电压支撑能力和有功输出水平。采用提出的受控电压/电流源型变流器具有更好的稳定性，如图13a所示。受控电压源型变流器的改进策略在提升并联点电压的同时也抑制了电压的波动，电压的提升也提高了系统短路容量，使得混合多机系统可以在低电压情况下保证有功输出和无功支撑能力。从图13b中受控电流源型变流器的功率输出可以看出，在2.0～2.05 s时间内，受控电流源型变流器由于自适应调整无功控制目标，在受控电压源型变流器稳定电压的前提下开始对系统输出无功功率进行电压支撑。如图13c、图14所示混合多机系统中受控电流源型变流器的功率波动明显减小，受控电压源型变流器的有功阻尼控制改进控制提高了混合多机系统暂态有功阻尼。如图15所示受控电压源型变流器的柔性限幅有效地限制了过电流情况；两者结合在提高受控电压源型变流器稳定的基础上也改善了总体的无功输出情况。
图13 电压骤降下半改进和全改进策略混合多机运行情况对比
Fig.13 Performance comparison of hybrid multi-converter with half and all improvement strategy when voltage sag
图14 电压骤降下暂态有功阻尼控制输出及控制效果
Fig.14 Output and control effects of the transient active power damping control when voltage sag
图15 柔性限幅输出及控制效果
Fig.15 Output and control effects of the flexible limit control when voltage sag
模拟系统电压骤升30%的暂态电压工况，对比有无改进控制策略系统电压和变流器运行情况，对改进策略特性进行比较分析。
仿真结果如图16、图17所示，其中图16a为并联点相电压有效值对比图，图16b、图16c分别为受控电流源型变流器、受控电压源型变流器的输出电压dq分量、输出电流dq分量、有功功率、无功功率对比图；图17a为受控电压源型变流器有功功率对比，图17b为受控电压源型变流器输出电流dq分量的方均根对比。
图16 电压骤升下有无改进策略混合多机运行情况对比
Fig.16 Performance comparison of hybrid multi-converter with and without improvement strategy when voltage swell
图17 电压骤升下受控电压源型变流器有功功率及输出电流对比
Fig.17 Output current and active power comparison of controlled voltage source converter when voltage swell
通过仿真结果可以看出，系统电压升高后，变流器原有的功率控制目标无法实现而引发振荡，传统控制策略下混合多机系统在暂态工况无法维持稳定，如图16a所示，改进策略下混合多机系统则可以稳定运行。结合图16b、图16c和图17，柔性限幅限制了过电流程度，暂态有功阻尼控制提高了有功功率的稳定性，加强了受控电压源型变流器的控制电压稳定性。
综上所述，从混合多机系统和单受控电流源模式对比，以及电压骤升骤降的暂态电压过程的分析中可以看出，受控电压源型变流器可以增大暂态低电压情况下的系统短路容量，保证并联变流器系统的输出能力。改进策略可以充分结合受控电压源型和受控电流源型变流器各自的优势，通过柔性限幅和暂态有功阻尼控制，提高了受控电压源型变流器在暂态过程中的控制电压稳定性，使得变流器运行在安全范围内，保证受控电流源型变流器的锁相环境和输出能力，进而提升了混合多机的动态无功补偿能力及可靠性。通过受控电流源型变流器的有功功率和无功功率的自适应功率控制目标变换，一方面保证了自身运行的稳定；另一方面提供可靠的无功功率对系统进行电压支撑。基于受控电压/电流源型变流器的混合多机系统可以满足暂态电压支撑中的关键需求，能够提升暂态工况下的电压水平，对维护场站电压稳定进而整个系统的电压稳定都有明显效果。
为进一步实际验证基于受控电压/电流源型变流器及其改进控制策略的混合多机系统的的暂态电压稳定能力和无功输出能力，构建由1台受控电压源型变流器、2台电流源型变流器通过变压器、连接阻抗并入电网的硬件在环实验平台，如图18所示。系统及控制参数见表3，其中变流器控制系统采用DSP 型号为TI-TMS320F28335，采用采用现场可编程的门阵列（Field Program Gate Array, FPGA）型号为Altera-EP3C5，录波器型号为Yokogawa DL850E。
图18 实验平台系统
Fig.18 System diagram of experimental platform
模拟三相短路故障及故障恢复过程，系统电压骤降至20%后恢复，单受控电流源型变流器并联模式的并联点电压电流如图19所示，混合多机系统采用传统控制的并联点电压电流如图20所示。从图中可以看出，单受控电流源型变流器模式在暂态情况下失稳，混合多机系统采用传统控制在暂态工况下也没有稳定的暂态电压支撑能力。系统电压骤降至20%后骤升至130%，混合多机系统采用本文改进控制的并联点电压电流图21所示，采用改进策略后电压可以保持平稳运行，电流的调节及平稳速度也较快。实验结果与第3节分析结果一致。
图19 单受控电流源型变流器模式输出情况
Fig.19 Output of single controlled current source converter mode
图20 混合多机系统传统控制输出情况
Fig.20 Output of hybrid multi-converter with traditional control
图21 混合多机系统改进控制输出情况
Fig.21 Output of hybrid multi-converter with improved control
以新能源为主体的新型电力系统要求新能源场站具备暂态电压主动支撑能力，针对当前新能源场站暂态电压工况下存在的同步和无功输出的问题，提出受控电压/电流源型变流器混合多机系统的暂态电压支撑策略，以柔性限幅和暂态有功阻尼控制保证受控电压源型变流器供稳定同步条件，以自适应补偿改进控制使受控电流源型变流器提供精确暂态无功支撑，混合多机系统及其控制模式提升新能源场站的暂态电压稳定性，并通过仿真和实验验证了混合多机系统及其改进策略对系统暂态电压的支撑作用。后续可将混合多机系统作为暂态电压支撑核心，针对新能源场站内变流器和其他无功补偿设备的协调控制进一步展开研究，以进一步提升新能源场站的暂态电压主动支撑能力。
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Abstract The increasing proportion of renewable energy makes the power system have obvious power electronic characteristics. The converters used for renewable energy is more sensitive to system voltage due to its weak high-low voltage ride-through capability. Under the condition of large disturbance of transient voltage condition, the renewable energy converter is very easy to be locked and cut off. The stable operation of high voltage direct current transmission also highly depends on the transient voltage stability. Therefore, the transient voltage problem of new type power grid with high proportion of renewable energy is the key to the safe and stable operation of the system.
Currently, the transient active support capability of the converter is not available due to synchronization problems and reactive power output ability under transient voltage conditions. To solve the problems existing in active support of renewable energy station, controlled voltage/current source converters are connected in parallel to form a hybrid multi-converter system. The controlled voltage source converter realizes power angle control through power control. The synchronization control is not affected by system transient voltage. Therefore, stable synchronization conditions are provided by controlled voltage source converters. The controlled current source converter can output fast and accurate reactive power support. Based on the analysis and summary of active transient voltage support requirements of renewable energy station, a hybrid multi-converter transient voltage support strategy of controlled voltage/current source converter is proposed to improve the transient voltage stability of renewable energy station and enable it to support transient voltage actively.
Controlled voltage source converters are prone to lose voltage source characteristics and reduce reactive power output capabilities because of the large power fluctuations under transient conditions. The overcurrent degree of the converter is flexibly limited by virtual impedance to improve the adaptability of the controlled voltage source converter to transient conditions. By suppressing the response to voltage fluctuations in the active power control of the converter, the effect of increasing the active power fluctuation damping can be achieved. The reactive power output capability of the controlled voltage source converter can also be guaranteed while promoting the stable operation of the converter. The flexible limiting of transient current combined with transient active power damping control ensures the voltage control stability and reactive power output capability of the controlled voltage source converter under transient conditions.
The steady state of the controlled current source converter is mainly output active power. In the transient state, it is necessary to adjust its power output target according to the voltage change. The reactive power compensation demand is calculated under the current condition. The compensation demand is superimposed on the current reactive power control target. And the active power control target is accordingly reduced. So the adaptive compensation control of the controlled current source converter is realized. The transient voltage reactive power support of the controlled current source converter can be realized under the limitation of the converter capacity.
The following conclusions can be drawn from the simulation and experimental results: the proposed strategy can fully combine the advantages of the controlled voltage source converter and the controlled current source converter. The controlled voltage source converter can ensure the control voltage stability in the transient process and the output capability of the hybrid multi-converter system. Under the stable condition of phase locking, the controlled current source converter can take into account the stable and reliable reactive power output of its own operation. The hybrid multi-converter system based on controlled voltage/current source converter can meet the key requirements of transient voltage support and improve the voltage stable level under transient conditions.
The hybrid multi-machine system with proposed strategy can be taken as the basis of further research on transient voltage support. The coordinated control of converters and other reactive power compensation equipment in renewable energy stations can be studied to further improve the transient voltage active support capability of renewable energy station.
keywords: Controlled voltage/current source, hybrid multi-converter, transient voltage, support strategy
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220669
中图分类号：TM464
国家重点研发计划资助项目（2021YFB2400500）。
收稿日期 2022-04-27
改稿日期 2022-07-14
杨 铭 男，1986年生，博士研究生，研究方向为高比例新能源并网控制及其主动支撑技术。E-mail：mingyang_ee@seu.edu.cn
曹 武 男，1984年生，副教授，硕士生导师，研究方向为高比例新能源并网控制及其主动支撑技术、电力电子化电力系统稳定性分析与控制。E-mail：caowu_ee@seu.edu.cn（通信作者）
（编辑 赫蕾）