近兩年做并網(wǎng)變流器控制的同行應(yīng)該都有同感逆變器的“穩(wěn)定性”開(kāi)始變得沒(méi)法用以前的經(jīng)驗(yàn)去套。虛擬同步發(fā)電機(jī)VSG正是在這個(gè)背景下被反復(fù)擺上臺(tái)面——它把同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程搬進(jìn)變流器的控制算法讓電力電子裝置在端口特性上模擬出慣性與阻尼從而緩解新能源接入后系統(tǒng)等效慣量下降帶來(lái)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題。這篇筆記我想把 VSG 并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析這條線完整走一遍從建模到失穩(wěn)機(jī)理從參數(shù)敏感性到驗(yàn)證過(guò)的改進(jìn)手段再附帶一些仿真和實(shí)驗(yàn)里的實(shí)際建議給正在做相關(guān)研究的同行提供一個(gè)可以直接對(duì)照展開(kāi)的框架。先說(shuō)結(jié)論VSG 的“穩(wěn)定性分析”目前有兩條主流路線一條是在狀態(tài)空間里做特征值分析一條是在端口阻抗上做判據(jù)分析兩者不是互斥關(guān)系而是互補(bǔ)關(guān)系。真正設(shè)計(jì)一套工程可用的 VSG 參數(shù)你會(huì)發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵不在某個(gè)環(huán)節(jié)做得有多精細(xì)而在于對(duì)整個(gè)閉環(huán)環(huán)路延遲、電網(wǎng)強(qiáng)度和控制器帶寬之間的耦合有清晰判斷。下面按我的理解逐步拆。1. 先弄清楚一個(gè)根本問(wèn)題電網(wǎng)缺的是“慣量”還是“電壓支撐”1.1 逆變器占比上升后系統(tǒng)的“體質(zhì)”發(fā)生了質(zhì)變傳統(tǒng)電力系統(tǒng)里同步發(fā)電機(jī)是絕對(duì)主力轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)大質(zhì)量?jī)?chǔ)能單元。負(fù)荷變化瞬間轉(zhuǎn)子的動(dòng)能會(huì)自然釋放出來(lái)平衡功率差額所以頻率變化曲線總是帶“緩沖”的。風(fēng)電、光伏通過(guò)變流器并網(wǎng)后情況不同了直流和交流之間是解耦的變流器對(duì)功率指令的跟蹤速度接近微秒到毫秒級(jí)系統(tǒng)層面的等效慣量逐年下降。許多公開(kāi)報(bào)告給出的趨勢(shì)很一致——新能源滲透率提高的同時(shí)相同擾動(dòng)下的頻率變化率成倍上升部分電網(wǎng)不得不依靠快速頻率響應(yīng)服務(wù)來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)缺口。比慣量下降更隱蔽的是“電網(wǎng)強(qiáng)度”下降。隨著新能源場(chǎng)站離主網(wǎng)越來(lái)越遠(yuǎn)升壓站接入點(diǎn)的短路比SCR可能低到 2 甚至更低電網(wǎng)等效阻抗大幅增加。這種情況下逆變器的鎖相環(huán)看到的并網(wǎng)點(diǎn)電壓不再是近似剛性的PCC 電壓畸變會(huì)反灌進(jìn)控制環(huán)路產(chǎn)生低頻振蕩甚至諧波放大。我曾經(jīng)在某交流器樣機(jī)上做過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的驗(yàn)證同一套控制參數(shù)接在 SCR30 的模擬電網(wǎng)里表現(xiàn)良好把電網(wǎng)電感調(diào)到 SCR5 附近低頻功率振蕩就開(kāi)始出現(xiàn)這就是典型的“變流器控制與電網(wǎng)阻抗互動(dòng)失穩(wěn)”。1.2 VSG 的定位用控制算法給逆變器裝上“虛擬轉(zhuǎn)子”VSG 的核心是把同步機(jī)的機(jī)電暫態(tài)方程搬到數(shù)字控制器里有功頻率通道用 J dω/dt P_ref - P_e - D(ω - ω_n) 描述虛擬轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)無(wú)功電壓通道模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)特性形成電壓源型外特性?？刂破鲀?nèi)部計(jì)算出一個(gè)虛擬轉(zhuǎn)子角度驅(qū)動(dòng)電壓電流雙閉環(huán)去跟蹤這個(gè)電壓參考逆變器從端口看就像一臺(tái)“看不見(jiàn)轉(zhuǎn)子”的同步機(jī)。這和傳統(tǒng)下垂控制最大的區(qū)別在于動(dòng)態(tài)行為下垂控制本質(zhì)上是個(gè)靜態(tài)斜率響應(yīng)快但沒(méi)有任何振蕩緩沖機(jī)制VSG 則在指令和功率之間插入了一個(gè)二階慣性環(huán)節(jié)因而具備阻尼和振蕩特性。說(shuō)得直白一點(diǎn)下垂控制像一根彈簧拉伸多少就回多少VSG 像彈簧下面掛了個(gè)鐵球有質(zhì)量、有慣量、會(huì)擺動(dòng)而我們要做的就是讓這種擺動(dòng)被很好地阻尼掉。從近幾年的研究文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)看VSG 相關(guān)工作的重點(diǎn)已經(jīng)明顯從“控制結(jié)構(gòu)改進(jìn)”轉(zhuǎn)向“穩(wěn)定性分析與參數(shù)設(shè)計(jì)”很大一部分原因是基礎(chǔ)控制結(jié)構(gòu)已經(jīng)趨同剩下真正難啃的問(wèn)題幾乎都落在弱電網(wǎng)適應(yīng)性和參數(shù)魯棒性上。理解了這條基本定位后續(xù)所有穩(wěn)定性分析——包括參數(shù)怎么調(diào)、為什么某些方法能提升穩(wěn)定性——都圍繞這個(gè)“虛擬轉(zhuǎn)子”的動(dòng)力學(xué)展開(kāi)。2. 穩(wěn)定性分析的兩條主線小信號(hào)模型怎么看阻抗判據(jù)怎么用2.1 小信號(hào)狀態(tài)空間模型把每一個(gè)環(huán)節(jié)都寫成微分方程拿一個(gè)常見(jiàn)的單機(jī)并網(wǎng) VSG 系統(tǒng)舉例拓?fù)涫亲兞髌骷?LC/LCL 濾波加并網(wǎng)電感接入強(qiáng)電網(wǎng)或弱電網(wǎng)。要建立小信號(hào)模型通常分四步走列寫連續(xù)域方程包括虛擬轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程有功環(huán)、無(wú)功電壓環(huán)、電流內(nèi)環(huán)以及濾波器電容、電感和電網(wǎng)線路的電氣方程。狀態(tài)量一般取虛擬功角 δ、角頻率偏差 Δω、虛擬電勢(shì) E、d/q 軸濾波電容電壓、電感電流等。在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)線性化把功率方程 P_e EU sinδ / X 這類非線性項(xiàng)在平衡點(diǎn)附近展開(kāi)成一階增量形式。組裝狀態(tài)矩陣 A形成 x? Ax然后計(jì)算特征值 λ σ jω。特征根判穩(wěn)只要某個(gè) σ 0對(duì)應(yīng)模態(tài)就是發(fā)散的σ 為負(fù)但接近 0 則意味著阻尼很弱動(dòng)態(tài)衰減極慢。典型的小信號(hào)特征根譜有三個(gè)層次的模態(tài)最低頻的是一對(duì)與功率同步相關(guān)的共軛根頻率通常在 0.2~2 Hz主要由 J 和功率反饋回路決定中頻段是電壓控制環(huán)引入的 10~30 Hz 模態(tài)高頻段則是電流內(nèi)環(huán)、濾波器、采樣延遲引入的模態(tài)往往在數(shù)百赫茲以上。特征值法的優(yōu)勢(shì)是能明確區(qū)分每個(gè)模態(tài)的物理歸屬配合參與因子分析你可以定位某個(gè)振蕩到底是功率外環(huán)引起的還是 PLL鎖相環(huán)引起的這是純時(shí)域仿真很難做到的。2.2 阻抗分析法從端口視角找“此消彼長(zhǎng)”的失穩(wěn)邊界阻抗法的思路更直接把 VSG 變流器整體看作一個(gè)可控電壓源串聯(lián)阻抗 Z_v電網(wǎng)看作電壓源串聯(lián)阻抗 Z_g。分析穩(wěn)定性時(shí)只看從公共耦合點(diǎn)看向變流器和看向電網(wǎng)這兩個(gè)阻抗的比值即可。工程上常用“電網(wǎng)阻抗比變流器輸出阻抗”的奈奎斯特圖來(lái)判斷閉環(huán)穩(wěn)定性也可以直接掃頻得到變流器輸出導(dǎo)納 Y_v再用波特圖觀察 Y_v 與 Z_g 的交點(diǎn)裕度。為什么弱電網(wǎng)下更容易失穩(wěn)因?yàn)?Z_g 隨短路比下降而成比例增大變流器的輸出阻抗在某個(gè)頻段卻可能呈現(xiàn)負(fù)阻特性。負(fù)電阻意味著該頻段內(nèi)有能量注入而不是消耗一旦負(fù)阻頻段與電網(wǎng)電感的感性阻抗形成“負(fù)阻電感”組合就成了一個(gè)持續(xù)增長(zhǎng)的正反饋振蕩源。很多研究報(bào)告里反復(fù)提到的“PCC 電壓前饋加鎖相環(huán)后在 5~20 Hz 附近出現(xiàn)負(fù)實(shí)部”就是這個(gè)原因。阻抗法更適合工程驗(yàn)證因?yàn)樽兞髌鬏敵鲎杩鼓芡ㄟ^(guò)掃頻實(shí)測(cè)獲得不需要精確的內(nèi)部參數(shù)對(duì)阻抗模型不清楚的系統(tǒng)也能給出穩(wěn)定裕度估計(jì)。這塊本質(zhì)上回答的問(wèn)題是在某個(gè)頻率點(diǎn)上到底是電網(wǎng)“吃掉”了變流器的擾動(dòng)還是變流器“喂”給電網(wǎng)能量。搞清楚這個(gè)方向性穩(wěn)定性的思路上就成功了一半。2.3 兩條路線怎么配合對(duì)比維度小信號(hào)狀態(tài)空間法阻抗分析法輸入需求全控制系統(tǒng)參數(shù)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)端口阻抗/導(dǎo)納掃頻數(shù)據(jù)輸出結(jié)果特征根軌跡、模態(tài)歸屬、參與因子奈奎斯特裕度、振蕩頻段判斷主要用途機(jī)理分析、參數(shù)設(shè)計(jì)、內(nèi)環(huán)校正工程穩(wěn)定性評(píng)估、并網(wǎng)適應(yīng)域確定局限依賴精確模型參數(shù)多對(duì)非線性環(huán)節(jié)與大擾動(dòng)場(chǎng)景表達(dá)弱實(shí)際項(xiàng)目我建議兩條線同時(shí)做。先用狀態(tài)空間模型把失穩(wěn)模態(tài)和參數(shù)敏感性摸清楚確定大方向再用阻抗法在不同 SCR 場(chǎng)景下做裕度校核給現(xiàn)場(chǎng)的并網(wǎng)測(cè)試提供數(shù)據(jù)支撐。兩條結(jié)果對(duì)不上時(shí)優(yōu)先檢查模型是否漏掉了數(shù)字控制延遲和 PWM 調(diào)制延遲——這是仿真和實(shí)驗(yàn)差別的最大來(lái)源。3. 參數(shù)一改就發(fā)散核心參數(shù)的敏感性規(guī)律與失穩(wěn)邊界3.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J不是越大越好它與阻尼 D 構(gòu)成二階振蕩新手最容易踩的第一個(gè)坑就是把 VSG 的“虛擬慣量”理解成越大越好。從功率環(huán)等效模型看VSG 的有功通道可以化簡(jiǎn)成典型的二階振蕩環(huán)節(jié)J d2δ/dt2 D dδ/dt (S_E/ω_n) Δδ ΔP其中 S_E 是同步功率系數(shù)在工作點(diǎn)附近基本恒定。這個(gè)二階系統(tǒng)的自然振蕩頻率正比于 sqrt(S_E/(Jω_n))阻尼比則由 D 和 J 按 D/(2·sqrt(J·ω_n/S_E)) 的方式共同決定。也就是說(shuō)J 增大雖然能讓頻率變化率變小但同時(shí)會(huì)讓振蕩頻率下降、阻尼比變小J 大到一定程度振蕩根本壓不住。我仿真里常用的一組參數(shù)可以說(shuō)明問(wèn)題額定有功 10 kW 的樣機(jī)J 取 2 kg·m2 時(shí)低頻模態(tài)頻率約 0.8 Hz阻尼比 0.44擾動(dòng)后功率振蕩 2~3 個(gè)周期就收斂J 調(diào)到 8阻尼比掉到 0.22同樣擾動(dòng)要振蕩十來(lái)個(gè)周期J 再往上到 12 附近振蕩變成了等幅甚至發(fā)散。這印證了一個(gè)設(shè)計(jì)共識(shí)虛擬慣性時(shí)間常數(shù)最好控制在 2~5 秒量級(jí)不要為了追求“慣量大”而犧牲阻尼裕度。3.2 阻尼 D 的雙刃劍阻尼振蕩的同時(shí)偷走了穩(wěn)態(tài)頻率再看阻尼系數(shù) D。D 在動(dòng)態(tài)上提供功率振蕩的阻尼力矩?cái)?shù)值越大特征根的實(shí)部越負(fù)、收斂越快。但 D 同時(shí)會(huì)在穩(wěn)態(tài)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)頻率偏差D(ω-ω_n) 這一項(xiàng)不等于零時(shí)VSG 穩(wěn)態(tài)頻率會(huì)偏離額定值。也就是說(shuō) D 越大一次調(diào)頻的靜態(tài)偏差越明顯。不少設(shè)計(jì)者直接把 D 當(dāng)“下垂系數(shù)”用結(jié)果往往是動(dòng)態(tài)振蕩沒(méi)壓下去穩(wěn)態(tài)頻率已經(jīng)偏了 0.05 Hz 以上并網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)直接超標(biāo)。合理做法是把動(dòng)態(tài)阻尼和穩(wěn)態(tài)下垂分開(kāi)設(shè)計(jì)D 只按振蕩模態(tài)所需的阻尼比決定穩(wěn)態(tài)頻率恢復(fù)交給額外的頻率下垂補(bǔ)償通道在虛擬轉(zhuǎn)子方程里疊加一個(gè) ΔPK_f(ω_n-ω) 項(xiàng)。這樣既保留了必要的動(dòng)態(tài)阻尼又不會(huì)讓頻率偏差失控。工程上我習(xí)慣先按阻尼比 0.3~0.7 初選 D再做 SCR 遞減掃描微調(diào)而不是一次性拍腦袋定一個(gè)很大的值。3.3 虛擬阻抗與鎖相環(huán)帶寬弱電網(wǎng)下最容易忽略的兩個(gè)變量第三個(gè)容易出問(wèn)題的是虛擬阻抗。VSG 要提供電壓源外特性變流器內(nèi)部通常等效成一個(gè)電勢(shì)加輸出阻抗。實(shí)際并網(wǎng)阻抗小時(shí)物理阻抗已能提供足夠耦合弱電網(wǎng)下電網(wǎng)阻抗變大了控制環(huán)路的相位裕度會(huì)明顯惡化。一種做法是在電壓環(huán)輸出中串聯(lián)虛擬阻抗 Z_v(s)人為等效減小變流器看到的電網(wǎng)阻抗把逆變器輸出阻抗在關(guān)鍵頻段的相位拉回安全區(qū)。但虛擬阻抗加太大電流內(nèi)環(huán)參考會(huì)被高頻噪聲污染出現(xiàn)新的畸變。我的經(jīng)驗(yàn)是虛擬電阻部分取實(shí)際線路電阻的 1~3 倍虛擬電感取實(shí)際電感的 30%~50%然后看 Bode 圖交點(diǎn)裕度再細(xì)調(diào)。另一個(gè)容易忽略的是鎖相環(huán)帶寬。VSG 方案里如果仍然靠 PLL 檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓相角則弱電網(wǎng)下 PLL 帶寬過(guò)寬時(shí)電壓前饋和相位跟蹤的延遲會(huì)讓輸出導(dǎo)納出現(xiàn)負(fù)電導(dǎo)直接與 LCL 濾波器諧振峰形成正反饋。這也是業(yè)內(nèi)傾向于在弱電網(wǎng)下用 VSG 的功率同步環(huán)替代 PLL 的原因之一或者把 PLL 帶寬壓到功率振蕩頻率一半以下留足相位裕度。下面把參數(shù)變化對(duì)穩(wěn)定性的典型影響列成表方便對(duì)照參數(shù)變化低頻模態(tài)變化失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)J 增大振蕩頻率下降、阻尼比下降功率振蕩發(fā)散D 增大動(dòng)態(tài)阻尼增強(qiáng)、穩(wěn)態(tài)偏差增大頻率偏差超標(biāo)虛擬阻抗增大相位裕度改善高頻噪聲放大、內(nèi)環(huán)失穩(wěn)PLL 帶寬增大中頻負(fù)阻增強(qiáng)與濾波器諧振互振4. 提升并網(wǎng)穩(wěn)定性的幾種被驗(yàn)證的控制手段4.1 自適應(yīng)慣量讓“虛擬轉(zhuǎn)子”的慣性質(zhì)量隨工況變化固定 J 的折中做法是自適應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。思路是擾動(dòng)發(fā)生初期頻率變化率大此時(shí)需要大慣量來(lái)延緩頻率跌落進(jìn)入恢復(fù)階段頻率偏差大但變化率變小需要小慣量讓頻率盡快拉回額定值。實(shí)現(xiàn)上可以按 |dω/dt| 和 Δω 的乘積做切換J J0 k1·|dω/dt| 或者 J J0 k2·|Δω·dω/dt|具體算法里會(huì)根據(jù)虛擬角頻率的微分方向來(lái)增減 J。仿真數(shù)據(jù)上自適應(yīng) J 相對(duì)固定大 J 的典型收益是同一擾動(dòng)下最大頻率偏差降低 20%~30%同時(shí)振蕩收斂時(shí)間縮短接近一半。但注意慣量切換本身是一次階躍擾動(dòng)如果切換點(diǎn)處理太粗暴反而會(huì)激發(fā)出新的振蕩模態(tài)。實(shí)際做法是把計(jì)算出來(lái)的 J 先過(guò)一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)取 50~100 ms讓慣量平滑變化。這個(gè)細(xì)節(jié)看起來(lái)不起眼卻是自適應(yīng)方法能不能落地關(guān)鍵所在。4.2 帶通阻尼與前饋補(bǔ)償只“剎”振蕩頻段不干擾工頻環(huán)節(jié)帶通阻尼的做法更有意思它不再讓阻尼 D 在整個(gè)頻段起作用而是僅在功率振蕩模態(tài)附近發(fā)力。具體實(shí)現(xiàn)是在功率外環(huán)或有功電流通道中并聯(lián)一條支路把 P 或 Δω 經(jīng)過(guò)帶通濾波器后形成附加阻尼信號(hào)。典型傳遞函數(shù)是G_bp(s) 2ζω0s / (s2 2ζω0s ω02)ω0 取低頻振蕩模態(tài)頻率ζ 取 0.5~1。這樣的好處是工頻穩(wěn)態(tài)增益為零不會(huì)引入穩(wěn)態(tài)頻率偏差也不會(huì)干擾電壓控制的直流增益。我在某次 SCR3 的仿真里做過(guò)對(duì)比固定 D 的方案需要把頻率偏差壓到 0.04 Hz 才能抑制振蕩帶通阻尼則可以在幾乎不改變穩(wěn)態(tài)頻率的前提下把功率振蕩的衰減時(shí)間從 4 秒縮短到 1 秒以內(nèi)。前饋補(bǔ)償是另一條路把 PCC 電壓擾動(dòng)前饋到輸出電壓參考或電流參考里抵消電網(wǎng)電壓對(duì)功率環(huán)的滲透。難點(diǎn)在于前饋通道如果直接引入電壓微分量會(huì)把檢測(cè)噪聲和開(kāi)關(guān)諧波一起放大所以前饋環(huán)節(jié)后面通常要掛一個(gè)高通或陷波濾波器只允許振蕩頻段的擾動(dòng)通過(guò)。這類方法在弱電網(wǎng)下的魯棒性很好但和阻抗重塑方法配合使用效果最佳。4.3 輸出阻抗重塑在負(fù)阻頻段做“外科手術(shù)”第三種思路是從端口阻抗入手主動(dòng)重塑 VSG 的輸出導(dǎo)納。目的很明確把負(fù)阻頻段“掰正”或者把 LCL 諧振峰壓下去讓奈奎斯特曲線遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)。目前工程上最常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)有這幾個(gè)電容電流反饋有源阻尼在電流內(nèi)環(huán)里疊加電容電流的比例反饋等效在濾波器諧振點(diǎn)并聯(lián)一個(gè)電阻抑制 LCL 峰值級(jí)聯(lián)鎖相環(huán)補(bǔ)償在 PLL 輸出的相位參考上串低通或陷波濾波削減高頻負(fù)阻段動(dòng)態(tài)虛擬阻抗在故障或大擾動(dòng)時(shí)臨時(shí)增大虛擬阻抗把暫態(tài)電流限制住同時(shí)保持穩(wěn)定輸出故障清除后再恢復(fù)到正常值。我用同一套弱電網(wǎng)參數(shù)做過(guò)對(duì)比不加重塑控制時(shí)奈奎斯特曲線在臨界點(diǎn)附近有約 0.6 的裕度缺口并網(wǎng)點(diǎn)存在 6 Hz 附近的持續(xù)振蕩加入電容電流反饋后主導(dǎo)極點(diǎn)的實(shí)部從 3.2 變成 -8.6振蕩波形在 0.5 秒內(nèi)完全收斂。對(duì)大多數(shù)工程場(chǎng)景來(lái)說(shuō)阻抗重塑是高性價(jià)比的手段因?yàn)樗诓桓膭?dòng)功率環(huán)參數(shù)的前提下就能大幅改善弱電網(wǎng)適應(yīng)能力。5. 從仿真到實(shí)驗(yàn)我踩過(guò)的坑和復(fù)現(xiàn)建議5.1 第一件大事別把 VSG 直接接到理想電壓源上驗(yàn)證很多剛接觸 VSG 的研究是把變流器接到理想電壓源母線相當(dāng)于 SCR 無(wú)窮大上做驗(yàn)證調(diào)出來(lái)的參數(shù)換到弱電網(wǎng)當(dāng)場(chǎng)失穩(wěn)。建議從第一天就在仿真里放一個(gè)可調(diào)電網(wǎng)電感 L_g按短路比來(lái)定義強(qiáng)度。我習(xí)慣先跑 SCR 100、10、5、2.5 四檔記錄每個(gè)臨界點(diǎn)的波形和特征根實(shí)部。SCR電網(wǎng)電感參考值典型表現(xiàn)100接近零全參數(shù)都穩(wěn)定10較小低頻振蕩開(kāi)始出現(xiàn)5中等需要阻尼參數(shù)配合才能收斂2.5較大無(wú)額外控制時(shí)大概率失穩(wěn)“臨界短路比”是一個(gè)很有用的工程概念。低于這個(gè)值功率環(huán)和鎖相環(huán)必須引入額外的阻尼或前饋高于這個(gè)值常規(guī)參數(shù)就能滿足要求。每套參數(shù)都有各自的臨界短路比做完掃描你就知道這套設(shè)計(jì)的安全工作區(qū)到底在哪里。5.2 離散化延遲與控制帶寬的匹配問(wèn)題仿真和實(shí)驗(yàn)差別的第二大來(lái)源是數(shù)字控制延遲。采樣、計(jì)算、PWM 更新基本等效于 1.5 拍左右的控制延遲在 s 域里表現(xiàn)為約 e^(-1.5Ts) 的相位滯后。強(qiáng)電網(wǎng)下這個(gè)滯后容易被忽略弱電網(wǎng)下它和 PLL、電流內(nèi)環(huán)相位疊加直接把相位裕度削掉十幾度甚至更多。設(shè)計(jì)帶寬時(shí)要主動(dòng)把這部分相位計(jì)入裕度。電流內(nèi)環(huán)帶寬一般取開(kāi)關(guān)頻率的 1/10~1/8功率外環(huán)帶寬再低一個(gè)數(shù)量級(jí)不要壓得太滿。離散化方法也有講究一階歐拉對(duì)阻尼項(xiàng)誤差偏大尤其是 D 和 J 形成的二階模態(tài)差分格式不準(zhǔn)會(huì)把特征根位置算偏改用雙線性變換或更高精度的離散方式后仿真振蕩頻率和實(shí)驗(yàn)測(cè)到的才比較接近。這塊建議在仿真初期就按實(shí)際控制器離散周期去做不要全程用連續(xù)域模型調(diào)參。5.3 預(yù)同步并網(wǎng)與限流策略穩(wěn)定性之外的工程細(xì)節(jié)最后特別提醒兩個(gè)經(jīng)常被論文跳過(guò)的工程細(xì)節(jié)。一個(gè)是預(yù)同步VSG 控制的是自己的虛擬輸出電壓并網(wǎng)前它的相位、幅值和電網(wǎng)未必一致直接把斷路器合上去會(huì)產(chǎn)生很大的涌流嚴(yán)重時(shí)會(huì)讓過(guò)流保護(hù)直接觸發(fā)。正確做法是先通過(guò)預(yù)同步控制器調(diào)整 VSG 輸出電壓直到與電網(wǎng)電壓的幅值、頻率、相位偏差在允許范圍內(nèi)再閉合并網(wǎng)開(kāi)關(guān)沖擊電流能控制在額定電流的 10% 以內(nèi)。另一個(gè)是限流策略。VSG 是電壓源外特性故障瞬間它和同步機(jī)一樣會(huì)輸出巨大短路電流遠(yuǎn)超電力電子器件的耐受能力。但直接對(duì)電流限幅又會(huì)破壞相位自同步能力導(dǎo)致限幅恢復(fù)后出現(xiàn)頻率振蕩。常見(jiàn)的折中方案是檢測(cè)到過(guò)流時(shí)臨時(shí)增大虛擬阻抗把電流壓住同時(shí)暫停積分環(huán)節(jié)避免相位積累故障清除后平滑恢復(fù)原有控制。這個(gè)切換邏輯不需要多復(fù)雜但必須在仿真里反復(fù)測(cè)三相電壓跌落、單相故障等場(chǎng)景否則真到了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試階段才暴露問(wèn)題就很被動(dòng)。我在某次樣機(jī)聯(lián)調(diào)中實(shí)測(cè)過(guò)只做電流限幅不做相位同步保護(hù)時(shí)故障切除后的頻率要 2 秒才收斂加入上述切換策略后頻率在 0.3 秒內(nèi)就回到額定值附近動(dòng)態(tài)過(guò)程明顯更干凈。做 VSG 研究這幾年我最大的體會(huì)是穩(wěn)定性從來(lái)不是一個(gè)參數(shù)能“調(diào)出來(lái)”的也不是仿真里碰巧收斂就行而是控制帶寬、濾波結(jié)構(gòu)、離散延遲、電網(wǎng)阻抗和故障策略共同作用的結(jié)果。剛?cè)腴T時(shí)我也迷信過(guò)“慣量越大越好”把 J 一路往上加結(jié)果系統(tǒng)越調(diào)越發(fā)散后來(lái)才明白虛擬慣量本質(zhì)上就是你在控制環(huán)里借來(lái)的動(dòng)態(tài)行為借多少、什么時(shí)候還、由誰(shuí)約束都要有清晰的邊界。希望這篇筆記能幫你少走一段彎路。如果你也在做類似研究歡迎交換一下不同 SCR 和參數(shù)組合下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)很多穩(wěn)定裕度的直覺(jué)就是從這些偏差里磨出來(lái)的。