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💥第一部分——内容介绍

构网型与跟网型逆变器混合并联并网系统运行特性研究

摘要

随着新型电力系统建设持续推进，新能源并网渗透率不断提升，传统跟网型逆变器并网模式在电网弱阻尼、频率扰动场景下存在稳定性不足、无主动调频能力等问题。构网型逆变器可模拟同步发电机组运行特性，具备自主建压、虚拟惯量支撑能力，能够有效弥补传统并网设备的运行短板。本文以1MW级、50Hz、690V升压220kV的构网型（GFM-VSG）与跟网型（GFL-PQ）逆变器混合并联并网系统为研究对象，搭建完整的混合并网仿真模型，对比分析两类逆变器的运行机理与控制特性。通过设置电网0.4~0.8s内0.1Hz频率跌落扰动工况，探究混合系统的动态响应规律。同时针对跟网型逆变器三种外环功率控制方案开展对比研究，剖析不同控制策略的功率跟踪精度与抗扰性能。研究结果表明，GFM-VSG可依托虚拟惯性与有功-频率下垂特性主动参与电网频率调节，为系统提供稳定电压频率基准；GFL-PQ仅被动跟随电网运行状态，无自主调频能力；有功-无功双闭环控制的GFL逆变器控制精度与抗扰性最优，与GFM设备协同适配性最佳。稳态工况下两类设备可实现功率按需分配，扰动工况下构网设备可快速响应频率偏差，保障混合并网系统稳定运行。

关键词

构网型逆变器；跟网型逆变器；混合并联并网；虚拟同步机；频率扰动；功率控制

1 引言

双碳目标下，风电、光伏等新能源发电单元大规模并网，电力系统电力电子化特征愈发显著。传统新能源并网逆变器多采用跟网型控制模式，依托锁相环实现与电网电压、频率的同步，仅执行既定功率指令，缺乏同步机固有的惯量与阻尼支撑能力。在电网频率、电压出现小幅扰动时，跟网型设备无法主动参与系统调节，高比例接入后会大幅降低电网整体阻尼水平与频率稳定性，极易引发频率偏移、功率振荡等运行问题。

构网型逆变器基于虚拟同步机控制技术，可精准模拟传统同步发电机组的机电暂态特性，具备无锁相自主建压、虚拟惯量阻尼支撑、强弱电网适配性强等优势，能够主动构建电网电压频率基准，为新能源并网系统提供必要的动态支撑。构网型与跟网型逆变器混合并联并网模式，可结合两类设备的运行优势，既保留跟网型设备功率调节灵活、响应速度快的特点，又通过构网型设备弥补系统惯量缺失、无主动调频能力的短板，是新型电力系统中新能源并网的主流发展形态之一。

当前国内外针对混合并网系统的研究多集中于稳定性优化、振荡抑制与故障穿越策略，对于不同功率控制模式下跟网型设备与构网型设备的协同运行特性、频率扰动下的动态响应差异研究不够细化。基于此，本文搭建1MW级690V/220kV混合并联并网系统，系统阐述GFM-VSG与GFL-PQ逆变器的运行机制，通过电网频率跌落扰动仿真试验，对比两类设备的动态响应特性，并验证三种GFL外环控制方案的运行性能与协同适配能力，为高比例新能源混合并网系统的稳定运行与控制策略选型提供理论参考。

2 混合并网系统整体架构

本文研究的混合并网系统采用构网型GFM-VSG逆变器与跟网型GFL-PQ逆变器并联结构，系统额定容量1MW，额定工频50Hz，采用低压690V发电侧输出、升压至220kV并入高压电网的拓扑结构，完整覆盖新能源发电、变流、升压并网的全流程架构。

系统中两类逆变器功能定位清晰、运行特性互补。GFM-VSG逆变器作为系统主支撑单元，承担电网电压频率基准构建、惯量阻尼支撑、频率扰动调节的核心作用，是混合并网系统的稳定核心。GFL-PQ逆变器作为功率输送单元，依托电网基准信号实现同步并网，主要承担既定功率指令的精准输送任务，辅助提升系统整体功率输出能力。两类设备并联运行于并网母线，稳态工况下可按照系统需求灵活分配输出功率，保障系统高效运行；动态扰动工况下由GFM设备主导系统调节，GFL设备保持功率稳定输出，实现动静结合、协同并网的运行模式。

3 构网型GFM-VSG逆变器运行特性

构网型逆变器采用虚拟同步机控制策略，彻底区别于传统跟网型并网模式，无需依赖锁相环捕捉电网相位、频率信号，具备无锁相自主建压能力，可自主构建稳定的并网电压与频率基准，对弱电网、故障扰动电网等复杂工况具备极强的适配性。

VSG控制的核心优势在于精准模拟传统同步发电机组的虚拟惯量与阻尼特性。传统电力系统的频率稳定依托同步机转子惯性与阻尼绕组实现，而电力电子变流器无物理旋转惯量，VSG控制通过算法映射同步机机电特性，为并网系统提供等效虚拟惯量与阻尼，有效抑制电网频率、功率的快速波动，解决高比例电力电子化电网低惯量、弱阻尼的核心问题。凭借优异的动态支撑能力，GFM-VSG逆变器可作为整个混合并网系统的运行基准，为并联运行的GFL逆变器提供稳定的电压频率支撑。

在电网频率扰动场景下，GFM-VSG逆变器具备主动调频能力。本文仿真设置电网0.4s-0.8s时段发生0.1Hz频率跌落扰动，在该动态过程中，GFM设备可实时感知系统频率偏差，依托虚拟惯性响应与有功-频率下垂控制逻辑，主动增发有功功率，补偿电网频率跌落带来的功率缺额，抑制系统频率持续偏移。其调节过程具备响应快速、过渡平滑的特点，扰动结束后可快速回归稳态运行状态，有功、无功输出无持续振荡，能够有效维系混合并网系统的动态稳定性。

4 跟网型GFL-PQ逆变器运行特性及控制方案

跟网型GFL-PQ逆变器是传统新能源并网的主流设备，核心运行特征为被动并网、跟随运行，无自主建压与频率调节能力。设备必须依托锁相环捕捉电网电压、频率、相位信号实现同步并网，运行状态完全受制于电网基准参数，核心功能为精准跟踪预设功率指令，完成有功、无功功率的稳定输送。

4.1 频率扰动下的运行响应特性

在本文0.1Hz电网频率跌落扰动工况下，GFL-PQ逆变器展现出典型的被动运行特性。设备仅通过锁相环被动感知、跟随电网频率变化，无法识别频率偏差并自主触发功率调节，有功、无功输出始终严格遵循初始设定指令，出力大小保持恒定，不参与系统频率调节。该特性导致纯跟网型并网系统在电网频率扰动时缺乏自愈调节能力，扰动工况下系统频率波动无法得到有效抑制，这也是传统新能源并网系统稳定性薄弱的核心原因之一。

4.2 三种外环功率控制方案性能对比

为探究适配混合并网场景的最优GFL控制策略，本文采用三种主流外环功率控制方案开展对比仿真测试，各方案运行特性与适配场景差异显著，具体性能分析如下：

方案一为有功+电压闭环控制，是新能源并网领域的经典控制方案。该方案通过有功功率闭环实现有功出力的精准跟踪，依托电压闭环完成无功功率的间接调节，整体控制逻辑成熟、运行稳定性高，广泛应用于常规新能源并网场景。但该方案无功调节依赖电网电压动态反馈，调节响应存在轻微滞后，在电网小幅扰动工况下的功率跟踪精度有限，动态抗扰性能一般。

方案二为开环功率计算控制，摒弃了闭环反馈调节逻辑，直接通过功率指令计算输出控制信号，控制链路简单、信号传输延迟低，功率响应速度是三种方案中最快的。但该方案无反馈校正环节，无法抑制电网电压波动、线路阻抗扰动带来的功率偏差，抗干扰能力薄弱，扰动工况下极易出现功率振荡、输出偏移问题，仅适用于强电网、无扰动的理想稳态运行场景。

方案三为有功+无功双闭环控制，分别针对有功功率、无功功率设置独立闭环反馈调节环节。相较于前两种方案，该方案可同时实现有功、无功功率的精准闭环校正，功率跟踪精度最高，能够有效抵消电网小幅扰动、参数偏差带来的输出误差，抗干扰能力显著优于开环控制与电压闭环间接控无功方案。在与GFM-VSG逆变器并联运行时，双闭环控制可精准匹配构网设备构建的电网基准，实现功率稳定输出与精准分配，是混合并网场景下适配性最优的GFL控制方案。

5 混合并网系统协同运行特性分析

5.1 稳态运行特性

在电网频率、电压保持额定稳态运行工况下，GFM-VSG与GFL-PQ逆变器可实现高效协同运行。此时构网型设备无需进行动态调频调压，仅维持系统电压频率基准稳定，两类逆变器可根据电网负荷需求、并网调度指令，灵活调整自身输出功率，按照预设比例实现功率合理分配。稳态运行过程中，系统有功、无功输出波动极小，两类设备运行状态平稳，无功率振荡、相位偏移等问题，整体并网运行精度与稳定性良好。

5.2 动态扰动运行特性

在0.4~0.8s电网0.1Hz频率跌落扰动工况下，混合并网系统展现出优异的动态协同能力。GFM-VSG逆变器快速响应频率偏差，依托虚拟惯性抑制频率快速变化，同时通过有功-频率下垂特性主动增发有功功率，弥补系统功率缺额，阻碍频率持续跌落。而GFL-PQ逆变器保持输出功率恒定，稳定承担基础功率输送任务，不引入额外功率扰动。

扰动过程中两类设备分工明确、各司其职，构网设备专注于系统动态调节与稳定性支撑，跟网设备专注于稳定功率输出，有效规避了纯跟网并网系统无调频能力、纯构网系统功率输出灵活性不足的缺陷。扰动结束后，GFM设备可快速退出调频状态，系统频率、功率迅速回归额定稳态水平，整个暂态过程平滑、无剧烈振荡，充分验证了混合并网架构的稳定性与优越性。

6 结论

本文通过搭建1MW级690V/220kV GFM-VSG与GFL-PQ逆变器混合并联并网系统，系统研究了两类并网设备的运行特性、控制性能与协同并网机理，基于电网频率跌落扰动仿真试验得出以下核心结论：

1）构网型GFM-VSG逆变器依托VSG控制可模拟同步机惯量阻尼特性，具备无锁相自主建压、主动调频能力，可作为混合并网系统的稳定基准，有效解决电力电子化电网低惯量、弱阻尼问题，对强弱电网工况均具备良好适配性。

2）跟网型GFL-PQ逆变器为被动并网设备，无自主频率响应与电网支撑能力，频率扰动下仅被动跟随电网状态，输出功率保持恒定，无法参与系统频率调节，仅适用于功率输送场景。三种外环控制方案中，有功+无功双闭环控制精度最高、抗扰性最强，最适配混合并网协同运行场景。

3）GFM与GFL混合并联并网模式具备显著优势，稳态下可实现功率灵活分配、稳定输出，频率扰动工况下由GFM设备主动参与调频支撑，GFL设备稳定输出功率，动静协同的运行模式可大幅提升新能源并网系统的运行稳定性与抗扰动能力。

本文研究成果可为高比例新能源混合并网系统的拓扑设计、控制策略选型及稳定运行优化提供理论支撑，后续可围绕不同容量配比、复杂故障扰动场景下的系统协同控制策略开展进一步研究。

📚第二部分——运行结果

🎉第三部分——参考文献 

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