- 选题背景和意义：
基于脉冲宽度调制（PWM）的电压源转换器（VSC）技术已广泛用于并网应用，近年来随着可再生能源的利用比重迅速提高，以光伏和风力发电为主的分布式电源越来越多的接入到传统电网中，这些新能源通常通过功率换流器接入电网中，除此以外，高压直流传输、柔性交流传输系统设备等均都需要用到电力电子换流装置，因此，基于电力电子的电力系统正在成为电网的重要组成部分，这些系统具有构建现代电网的优越功能，包括完全可控性，可持续性和更高的效率，但同时也带来了新的挑战，如电能质量的损害和对电网稳定性的影响等，其中一种分析这种不稳定性的方法是阻抗理论，通过电网阻抗与逆变器输出阻抗之比是否满足奈奎斯特稳定性标准，可以直观判断并网逆变器是否稳定。与此同时，虚拟同步机技术的使用，使得分布式发电系统具有与同步发电机等效的性能，可视为如何将可再生能源大规模集成到传统电网中的最有效的解决方案。因此，通过搭建基于阻抗理论的电压支撑型功率变换器模型，对控制策略、锁相方式、稳定性方面进行设计和研究，具有现实意义。
- 课题关键问题及难点：
- 电压支撑型功率变换器建模及参数优化，包括滤波器选择、PI参数调节、SPWM的运用；
- 锁相方式的选择，虚拟同步机模型的理解和功率锁相的设计；
- 阻抗理论的理解，系统传递函数的计算，以及用奈奎斯特稳定性判据分析系统稳定性的方法；
- 提高系统稳定性的设计优化。
- 文献综述（或调研报告）：
本次毕业设计围绕基于阻抗理论的电压支撑型功率变换器模型主要调研有关四个方面的内容，第一，电压支撑型功率变换器建模；第二，电压控制型逆变器锁相方式；第三，虚拟同步机技术；第四，阻抗理论的应用和稳定性分析。针对上述几个方面，对其展开了一定量的文献调研，目前已查阅相关文献12篇，其中外文文献11篇。现综述如下：
- 电压支撑型功率变换器建模
通用并网换流器模型由SPWM控制的三相桥式逆变器和LC或LCL滤波组成，在文献[3]中提出滤波器取值应满足，其中为电网角频率、为电力电子器件开关角频率。同步锁相环以获得与交流系统的精确同步，内环可采用电压电流功率调节器等进行闭环控制，锁相方式和调节器类型根据控制方式进行选择。
- 电压控制型逆变器并网控制方式
锁相方式上，传统的PLL技术，通过追踪q轴分量来进行相位跟踪，在文献[12]中讲述了其原理，但文献[10]也指出，经典同步锁相技术SRF-PLL的使用前提是相角之差很小（小于7°），因为相位检测是通过使用Park（dq-）变换实现的，该变换是高度非线性且随时间变化的，而小信号模型的近似线性化（往往一阶）限制了精度，在电网正常运行时可以很好工作，但在电网故障出现相变时就无法准确预测。此外，在文献[7]里指出了在控制SRF-PLL中，除了复杂的SRF-PLL的小信号建模，与电流控制不同，仅q轴分量被调节用于相位跟踪，会导致不对称的dq坐标系模型，因此在相位域中产生了频率耦合效应，于是它提出了一个在alpha;beta;-框架下的阻抗模型，该模型不仅可以预测PLL的稳定性影响，还可以揭示其频率耦合效应。除传统PLL技术以外，谐波、功率角控制和矢量电流控制是目前研究最多的两种方法[11]。功率角控制的原理非常简单，易于实现。文献[11]指出，该控制方法在原理上类似于交流电机的操作，在交流系统中利用了内部同步机制，通过使用这种类型的电源同步控制，避免了VSC在弱交流系统连接中由标准锁相环引起的不稳定性，而且，像普通的同步电机一样，VSC端子可以为弱交流系统提供强大的电压支持。矢量电流控制利用瞬时功率传播机制，应用也很广泛，但它在弱交流系统中可能会引起低频共振。
- 虚拟同步机技术
电力电子换流器与电网其余部分相比具有完全不同的动态特性，而电网的其余部分主要由基于大型同步发电机的发电系统组成，如何控制并网功率变换器使其有同步机特性的方法称为虚拟同步机技术。虚拟同步机技术既可以模拟同步运行的优势，同时可以摆脱其缺点。目前研究方法主要分为两种，一是文献[3]中基于精准地同步发电机模型，通过将发电机模型引入功率转换器的控制层，引入虚拟惯性的概念，通过下垂控制来调节频率和电压。在文献[8]中阐述了两个该模型并联控制时对稳定性的影响。二是在经典换流器运行的控制解决方案中加入独立的功率网络来支持电压幅值和频率的调整，模仿同步电机之间的同步机制，在文献[4]中通过有功偏差来调整参考相角，文献[11]中还增加了通过改变VSC电压幅值来控制无功功率。
- 阻抗理论的应用和稳定性分析
当电网阻抗很高时，并网逆变器会变得不稳定。文献[1]开发了一种仅使用逆变器输出阻抗和电网阻抗来确定逆变器-电网系统稳定性的方法。 结果表明，如果电网阻抗与逆变器输出阻抗之比满足奈奎斯特稳定性标准，则并网逆变器将保持稳定。与此同时，外部功率控制和电网同步环路相关的振荡，快速内部电流或电压控制环路的相互作用也可能导致谐波不稳定现象。分析这种不稳定性的现有方法是建立考虑了电网阻抗以及与其他并网逆变器的耦合的逆变器控制模型。文献[9]中通过建立包含多个电压和电流控制转换器的模型，研究了不同逆变器类型和无源组件间的相互作用引起的谐波不稳定性，根据输出阻抗与等效阻抗之间的比来局部预测每个连接点的系统稳定性，以及每个逆变器对于电力系统的谐波不稳定做出的贡献。通过调整控制器参数观察到不同的奈奎斯特曲线，所以阻抗理论可以用于辅助稳定性分析，这个方法的优势之一在于，当电网阻抗发生变化时或将更多逆变器接入到同一电网时，不需要对单个逆变器的控制模型和回路稳定性进行分析，而是方便进行电网整体稳定性分析。文献[6]中提出了另外一种提高换流器稳定性的方法，它指出如果换流器的差分输入导纳在该频率处具有正电导（实部），则无法产生该频率的振荡，因为这会耗散功率，因此通过推导了电压源转换器的输入导纳表达式，调整控制器参数，可以对导纳进行整形，以便在所需频率区域中获得正实部。
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