基于LADRC的下垂控制构网型变流器无功电压支撑策略研究

《iEnergy》：Reactive voltage support strategy for droop-controlled grid-forming converters based on LADRC

　　为解决高比例新能源电力系统低电压穿越能力不足及传统PI控制响应慢、模型依赖性强等问题，研究人员开展了基于一阶线性自抗扰控制（LADRC）的下垂控制构网型变流器无功支撑策略研究。通过建立等效阻抗模型，推导了变流器端电压与并网点电压的影响因素，并将LADRC引入下垂控制Q-U环节。仿真结果表明，该策略能动态提升故障期间无功出力，有效支撑PCC电压，显著增强系统故障穿越能力。

　　

随着“双碳”目标的推进，中国正加速构建高比例可再生能源的新型电力系统。然而，风电、光伏等新能源的大规模接入，以及源-网-荷核心设备的“电力电子化”转型，使电力系统呈现出“高比例新能源、高比例电力电子设备”的双高特征。与传统同步发电机不同，电力电子变流器缺乏惯性支撑，导致系统整体惯性下降，抗干扰能力减弱，频率和电压波动加剧，电网稳定运行面临严峻挑战。

在可再生能源占主导的电力系统中，变流器的低电压穿越（LVRT）能力至关重要。传统跟网型（GFL）变流器采用锁相环（PLL）控制，在电网故障时多采取被动保护策略，难以主动提供电压支撑，易引发暂态电压失稳及连锁脱网风险。尤其弱电网条件下，PLL动态失稳可能引发次同步振荡问题。相比之下，构网型（GFM）变流器具有类似同步发电机的“电压源”特性，可模拟惯性响应，通过控制输出电压幅值与相位，在电网电压波动时提供电压支撑，增加或减少无功功率输出，确保电网电压稳定，有效解决新型电力系统面临的弱惯性和低短路比问题。

当前主流GFM控制策略包括下垂控制、虚拟同步发电机（VSG）控制、虚拟振荡器控制（VOC）和匹配控制等。其中，下垂控制通过有功-频率（P-f）和无功-电压（Q-U）下垂曲线实现功率同步，结构简单、工程成熟度高，经虚拟阻抗改进后适用于弱电网场景，在分布式发电、微电网和储能系统中得到广泛应用。

为提升下垂控制GFM变流器在电网故障时的电压支撑能力，本文提出一种基于一阶线性自抗扰控制（LADRC）的无功功率支撑策略。该策略首先建立下垂控制GFM变流器的数学模型，采用模型等效方法将控制环动态特性转化为等效阻抗参数，基于此推导变流器端电压和并网点（PCC）电压的影响因素。随后，将一阶LADRC引入传统下垂控制框架，通过带宽整定法优化控制器参数。最后，在PSCAD/EMTDC平台构建仿真模型，通过典型电网故障条件下的对比实验，验证所提策略在提升系统故障穿越能力和电压支撑方面的有效性。

研究人员采用等效阻抗建模、线性自抗扰控制器设计、带宽参数整定及PSCAD/EMTDC仿真验证等关键技术方法。通过建立下垂控制系统的等效电路，将电压外环和电流内环的动态特性转化为等效电抗参数；设计一阶LADRC结构，包括线性扩张状态观测器（LESO）和线性状态误差反馈（LSEF）；采用带宽法整定LADRC参数；构建单机系统仿真模型，设置不同短路比（SCR）和电压跌落程度的故障场景进行对比验证。

1 下垂控制型GFM变流器

通过建立下垂控制GFM变流器的数学模型，推导其功率输出表达式。采用等效电路表示方法，将控制环动态特性转化为等效阻抗参数，其中Q-U分支等效电抗为k_qU_s，双环控制等效电抗在参数适当时可忽略。简化等效电路表明，变流器端电压U_s受等效阻抗和调制电压U_eq共同影响。

2 不同电压支撑策略研究

基于功率潮流方程推导PCC电压表达式，发现提升变流器端电压可增加无功出力，从而支撑PCC电压。引入电压补偿模块可动态调整下垂控制输出电压，进一步优化电压支撑效果。提出基于一阶LADRC的无功支撑策略，以电网故障前后电压偏差为输入，输出Δu叠加至下垂控制Q-U环节，动态提升故障期间无功出力。

3 仿真与分析

通过设置不同k_v值（0、0.1、0.2）的仿真实验，发现增加电压补偿回路可有效提升变流器无功输出和PCC电压。在三种典型故障案例中（SCR=3、电压跌落30%；SCR=3、电压跌落50%；SCR=2.5、电压跌落30%），LADRC策略（方案1）均优于附加电压补偿的传统下垂控制（方案2）和传统下垂控制（方案3），能显著提高PCC电压水平和系统LVRT能力。

研究表明，所提基于一阶LADRC的无功支撑策略通过等效阻抗建模和动态扰动补偿，有效提升了下垂控制GFM变流器在电网故障期间的电压支撑能力。仿真结果验证了该策略在不同短路比和电压跌落程度下的适应性，能动态增加无功出力，提高PCC电压，增强系统低电压穿越能力。该策略不依赖被控对象数学模型，参数整定简单，具有良好的工程应用前景。未来研究将聚焦于多机并联协同控制、不对称故障适应性及故障期间过流抑制策略，进一步提升复杂故障条件下的系统安全稳定性。论文发表于《iEnergy》，为高比例新能源电力系统的安全稳定运行提供了重要技术支撑。