扬州大学科研团队提出一种基于并网电流谐波微分的有源阻尼策略

以PCC点电压为反馈量的有源阻尼方法可有效抑制变流器接入弱电网时可能出现的失稳振荡，但该方法会影响到并网电流质量。为此，扬州大学电能变换与控制团队的杨树德、李旺、徐佳，北方民族大学的张新闻和西安交通大学的熊连松在2023年第23期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于并网电流谐波微分的有源阻尼策略，该方法通过微分运算将系统失稳振荡时的谐振电流转换成PCC点处的谐振电压，可兼顾弱电网下并网变流器系统稳定控制和高质量并网电流两方面需要。最后，通过仿真和实验验证了该方法的有效性。

研究背景

现有的以PCC点电压为反馈量的有源阻尼策略虽然可显著提高变流器接入弱电网时系统的稳定性，但这种方法会将电网背景谐波电压扰动引入到并网电流参考值上，当电网电压含有背景谐波时会在并网电流中产生不必要的谐波，难以兼顾到并网电流质量。因此，亟需寻求能够兼顾弱电网下变流器系统稳定控制和并网电流质量两方面需求的有源阻尼策略。

论文所解决的问题及意义

考虑到弱电网下电网等值电感两端电压和电流之间的微分关系，我们采用微分运算将系统失稳振荡引发的谐振电流转换成PCC点处的谐振电压，从而避免了将电网背景谐波电压扰动引入到并网电流参考值上，该有源阻尼策略可在提高弱电网下并网变流器系统稳定性的同时兼顾到并网电流质量。

论文方法及创新点

（1）采用根轨迹和小增益定理分析弱电网下并网变流器的稳定性

弱电网下并网变流器系统的误差传递框图如图1所示。

图1 系统的误差传递关系

弱电网下电网等值电感变化时T3(z)的根轨迹和T5(z)中R(z)的Nyquist曲线如图2所示，可见，此时系统的稳定性对电网等值电感的变化较敏感，变流器所能适应的最小SCR为20，无法适应SCR<10的工况。

图2 弱电网下Lg变化对变流器系统稳定性的影响

（2）提出基于并网电流谐波微分的有源阻尼策略

本文提出的以并网电流为反馈量的有源阻尼控制原理如图3所示。该方案本质上是利用PCC点处系统失稳振荡所引起的谐波电压进行有源阻尼，避免了将电网背景谐波电压扰动引入到并网电流参考值上，因此可兼顾弱电网下并网变流器系统稳定控制和高质量并网电流两方面的需要。

图3 基于并网电流谐波微分的有源阻尼控制原理

采用文中所提出的有源阻尼策略后电网等值电感变化时T3(z)的根轨迹和T5(z)中R(z)的Nyquist曲线如图4所示，可见，此时变流器所能适应的最小SCR为2.9，显著提高了变流器对弱电网的适应能力。

图4 采用并网电流谐波微分有源阻尼策略后弱电网下Lg变化对变流器系统稳定性的影响

（3）有源阻尼策略对系统背景谐波电压扰动抑制能力的影响对比

图5分别给出了引入并网电流谐波微分有源阻尼和以PCC点电压为反馈量的有源阻尼前后电网电压至系统误差传递函数的幅频特性。可见，引入以PCC点电压为反馈量的有源阻尼控制后，系统对电网背景谐波电压扰动的抑制能力降低，而引入基于并网电流谐波微分的有源阻尼控制不会影响到系统对电网背景谐波电压扰动的抑制能力。

图5 不同有源阻尼策略下E(z)/ug(z)的幅频特性曲线

（4）实验结果

图6的实验结果表明，引入电流谐波微分有源阻尼后，在SCR为10和4.6两种工况下系统均能稳定运行，并网电流THD分别为2.11%和1.6%，作为对比，图7给出了SCR=10时采用以PCC点电压为反馈量的有源阻尼时的实验结果，结果表明虽然系统的稳定性得以保证，但电流质量有所下降，与电流谐波微分有源阻尼相比，THD由2.11%增大至3%。该结果表明文中所提有源阻尼策略可兼顾弱电网下并网变流器系统稳定控制和高质量并网电流两方面需要。

图6 采用基于并网电流谐波微分有源阻尼策略时不同SCR下的并网电流及其THD

图7 SCR=10时采用以PCC点电压为反馈量的有源阻尼策略时的并网电流及其THD

结论

1）若在并网变流器控制中未考虑电网等值阻抗，弱电网下较大的电网等值电感可能影响到系统的稳定性，甚至引发系统失稳振荡。

2）以PCC点电压为反馈量的有源阻尼策略可显著提高弱电网下并网变流器系统的稳定性，然而，该策略会削弱系统对电网背景谐波电压扰动的抑制能力，降低并网电流质量。

3）基于并网电流谐波微分的有源阻尼策略避免了将电网背景谐波电压扰动引入到并网电流参考值上，可兼顾弱电网下并网变流器系统稳定控制和高质量并网电流两方面的需要。

团队介绍

扬州大学电气与能源动力工程学院杨树德博士课题组成员主要由有活力、肯拼搏的硕士研究生构成，有硕士研究生7人。团队长期从事新型电力电子装置及其在电力系统中的应用方面的研究（包括电能质量治理装置、新能源发电并网逆变器、电动汽车充电模块、线路调压装置等）。团队与北方民族大学张新闻教授、西安交通大学熊连松教授团队保持长期学术交流。

杨树德，1986年生，河南省驻马店人，工学博士，硕士生导师，中国电源学会会员，2017年毕业于西安理工大学电力电子与电力传动专业，师从同向前教授，研究方向为新型电力电子装置及其在电力系统中的应用。以第一/通讯作者发表学术论文18余篇，其中SCI/EI检索7篇，授权发明专利1项。主持纵向科研项目3项，企业委托技术开发项目2项。

李旺，1996年生，硕士研究生，研究方向为弱电网下并网变流器系统的稳定性分析与增强控制。

徐佳，1999年生，硕士研究生，研究方向为弱电网下并网变流器系统的稳定性分析与增强控制。

张新闻，1976年生，博士，教授。北方民族大学电气工程学科负责人。现主要从事主动配电网电能质量与电力电子变换器控制方面的研究。2016年以来主持国家自然科学基金2项、中国工程院重大咨询项目子项目1项、宁夏自然科学基金等省部级科研项目4项、企业委托项目5项；发表论文30余篇，授权发明专利4项。

熊连松，副教授、博士生导师，全球前2%顶尖科学家榜单、西安交通大学青年拔尖人才计划入选者，中国电源学会青工委常务委员兼副秘书长、中国电工技术学会电控系统与装置专委会委员。长期从事电力电子与新能源发电方面的教学科研工作。

主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目（优秀结题）等纵向课题11项，部分成果已应用于陕西、新疆、广东等地的工程项目。发表SCI/EI论文72篇、ESI论文4篇，论文谷歌H因子23，被至少12位院士、36位IEEE Fellow正面引用、评价；曾获中国电源学会科学技术一等奖、陕西省自然科学优秀论文奖二等奖、中国电子学会自然科学奖三等奖、陕西省优秀博士论文奖、ICPES青年科学家奖等荣誉；担任多本学术期刊的编委、副编辑、客座编辑、客座副编辑以及多个学术会议的专题主席/奖励委员会共同主席/程序委员会共同主席/技术委员会委员。

本工作成果发表在2023年第23期《电工技术学报》，论文标题为“基于并网电流谐波微分的有源阻尼策略研究”。本课题得到江苏省高等学校自然科学基金、宁夏自然科学基金和国家自然科学基金的支持。