混合电网跟随与电网构网逆变器系统在功率变化下的稳定性分析及分频段主动阻尼方法

《Electronics》：Stability Analysis and Frequency-Segmented Active Damping Method of Hybrid Grid-Following and Grid-Forming Inverter System Under Power Variations

　　

混合集成电网跟随（GFL）与电网构网（GFM）逆变器的系统正日益部署于可再生能源主导的电力系统中。然而，两类逆变器之间的阻抗耦合可能诱发低频振荡与高频谐振，尤其在弱电网条件与功率注入变化下更为显著。研究人员阐明了混合GFL/GFM逆变器系统的稳定性机理，并提出了一种分频段主动阻尼策略。首先推导了GFL逆变器、GFM逆变器及整体混合系统的小信号阻抗模型，纳入控制环路、数字延迟、LC滤波器、互联支路阻抗及外部电网阻抗。随后采用阻抗分解、伯德图与奈奎斯特判据量化功率运行点与电网强度对系统稳定性的影响。结果表明：提升GFL逆变器输出功率会削弱低频与高频段的稳定裕度，而GFM逆变器输出功率变化仅在目标振荡频带内提供有限的阻抗重塑。在此基础上，于GFM侧设计低频阻尼环路，于GFL侧实施基于电容电流反馈的高频阻尼环路。仿真结果证实，所提策略抑制了低频振荡与高频谐波分量，在高GFL功率注入下维持混合系统稳定运行，并将并网点（PCC）电流总谐波畸变率（THD）由14.52%降至0.62%。

研究背景方面，随着可再生能源与储能大规模并网，电力系统正由同步机主导转向逆变器主导。国际能源署预测2025至2030年全球可再生装机增近4600 GW，光伏占八成。弱电网下电网阻抗不可忽略，逆变器控制环与电网阻抗耦合会引发振荡和谐波放大。GFL依赖锁相环（PLL）跟踪电网相位，弱网高功率时PLL-电流环-电网阻抗耦合致负阻尼；GFM通过虚拟同步机（VSG）建立电压频率，虽增强支撑但仍与GFL在PCC耦合。现有研究多聚焦低频同步振荡，忽视高频谐振，且少有同时抑制宽频振荡的分频段策略。该文发表于《Electronics》，旨在揭示混合系统宽频振荡机理并给出分频段阻尼方案。

关键技术方法上，研究人员构建GFL（含SRF-PLL、功率环、电流环、SPWM、数字延迟、LC滤波）与GFM（含VSG有功环、Q-V无功环、电压电流双环）的小信号dq域阻抗/导纳模型，支路与电网阻抗并入PCC等效；通过阻抗分解将GFL导纳拆为基本项、PLL-电流扰动项、PLL-电压扰动项，转正序阻抗；以短路比（SCR）表征电网强度，用奈奎斯特判据与伯德图评估稳定裕度；提出GFM侧基于电感项L_f低通加权的低频阻抗重塑阻尼、GFL侧电容电流反馈经带通的高频主动阻尼，并在MATLAB/Simulink以单GFL+单GFM额定光伏GFL 1 MW、储能GFM 1 MW、直流源恒定建模验证。

研究结果各节要点如下。第2节阻抗建模中，研究人员推导GFL逆变器侧端口导纳Y_GFL=Y₀+Y_i+Y_v，其中Y_i为PLL-电流通道主导低频负阻尼；推导GFM端口阻抗Z_GFM含VSG摇摆方程、Q-V、双环、延迟与LC；支路阻抗Z_{branch,GFL/GFM}并入后得混合等效Z_eq=(Y_GFL+Y_GFM)^-1及阻抗比L=Z_g/Z_eq。第3节阻抗交互与振荡机理中，研究人员通过图4至图12发现：GFL功率P_GFL升高使Z_GFL低频相位陡降、奈奎斯特轨迹逼近(-1,0)，弱网（低SCR）更甚；分解显示Y_i在数十赫兹相位跳变随功率放大，系低频负阻尼主源，高频段由基本通道（LC、电流环、延迟、支路阻抗）主导谐振；GFM功率P_GFM变化仅改基频附近阻抗，对目标振荡频带重塑有限；混合Z_eq随P_GFL变而低频段明显改变，随P_GFM变则不明显。第4节分频段主动阻尼中，研究人员在GFM电压指令叠加Δv_LF=G_d(s)·L_f·i_od低频补偿（G_d含低通），在GFL电流环指令叠加Δv_HF=-K_HF·G_bp(s)·i_Cf电容电流带通反馈；奈奎斯特图证仅低频阻尼移开低频临界、仅高频阻尼处理高频，分段联合使全频轨迹居(-1,0)右侧。第5节仿真验证中，纯GFL弱网强功率THD升至14.52%；混入GFM不加阻尼仍失稳THD 14.52%；仅GFM低频阻尼抑低频振荡THD降至2.21%但留高频谐波；分段阻尼同施THD降至0.62%，并对高频边界与滤波电感±20%变化具鲁棒性。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出：GFL输出功率与电网强度显著左右混合系统裕度，低频负阻尼主因GFL的PLL-电流控制通道、高频谐振主因基本通道（滤波器-延迟-阻抗）；GFL功率变全面改宽频阻抗、GFM功率变仅动基频阻抗；所提分频段阻尼在GFM侧抑低频交互、GFL侧抑高频谐振，高GFL功率下稳运行且PCC电流THD降至0.62%。该研究为可再生能源电站混合逆变器宽频振荡治理提供机理—建模—控制完整链，限于单GFL单GFM典型工况，后续可拓展多异构逆变器队列与复杂功率扰动场景。