100%锁相环同步双馈风电机组电力系统独立运行能力研究

《CSEE Journal of Power and Energy Systems》：Can 100% PLL-Synchronized DFIG-WTs Power Systems Operate Independently?

本文针对可再生能源高占比电力系统中，基于锁相环(PLL)同步的电压源换流器(VSC)能否独立运行这一核心问题展开研究。传统观点认为PLL同步设备必须依赖同步发电机或构网型(GFM)设备支撑，但本研究通过理论分析和实验验证，揭示了完全PLL同步系统实现独立运行的三个关键条件：设备同步稳定性、节点电压可控性和系统频率可调性。研究结果打破了运行独立性与同步方式之间的传统关联，为未来以可再生能源为主的电网建设提供了新的理论依据和技术路径。

　　

随着可再生能源的快速发展，电力系统正经历从同步发电机(SG)主导到电力电子(PE)设备主导的重大转型。在这一背景下，基于锁相环(PLL)同步的电压源换流器(VSC)被广泛应用于风电、光伏等新能源发电系统。然而，行业普遍认为完全由PLL同步VSC组成的电力系统无法脱离同步发电机或构网型(GFM)设备的支撑独立运行，这一认知局限严重制约了100%可再生能源电力系统的规划设计。

传统观点将PLL同步方式与电网跟随型(GFL)控制策略紧密关联，认为PLL同步设备本质上需要外部电压源提供同步参考，缺乏自主建立电压和频率的能力。特别是在弱电网条件下，PLL同步稳定性问题更加突出，往往被视为系统不稳定的根源。尽管构网型技术被寄予厚望，但其定义和标准尚未统一，且技术实施方案存在多样性。

针对这一技术瓶颈，华中科技大学李英彪等研究人员在《CSEE Journal of Power and Energy Systems》上发表了一项突破性研究。该研究首次从理论层面系统论证了100% PLL同步VSC系统独立运行的可行性，并建立了完整的分析框架。研究团队提出，判断系统能否独立运行的关键在于三个核心条件：首先是设备同步能力，即扰动后各换流器内部电流矢量的相对运动能够衰减并达到稳态；其次是频率控制能力，VSC需具备类似传统发电机的频率调节功能；最后是节点电压控制能力，通过合适的控制策略维持系统电压稳定。

为验证理论分析，研究团队建立了详细的数学模型，重点研究了两机两区域系统的同步过程。通过推导内部电流矢量相位关系表达式，研究人员发现PLL同步设备之间存在固有的同步趋势。线性化分析表明，网络参数变化时，线性化系数K₁₁、K₁₂和K₂₁始终大于0且小于1，这一特性保证了系统的同步稳定性。特征值分析进一步证实，系统存在具有正阻尼的振荡模式，能够确保内部电流矢量的相对摆动逐渐衰减。

在频率控制能力方面，研究团队创新性地提出了VSC内部电流矢量运动方程模型。该模型类比同步发电机的转子运动方程，描述了有功功率不平衡对内部电流矢量频率的动态影响。研究表明，通过引入类似一次调频的下垂控制策略，VSC能够有效维持系统频率稳定。频率控制通过改变d轴电流指令值，调节有功功率输出，从而实现对内部电流矢量频率的主动控制。

本研究主要采用数学建模与稳定性分析、实时数字仿真验证、多机系统扩展验证等关键技术方法。其中RT-LAB实时仿真平台被用于验证理论分析结果，样本系统包含两机两区域和四机两区域两种典型配置。

同步能力验证

通过在三机两区域系统中设置负载节点三相短路故障，研究人员观察到VSC1和VSC2的内部电流矢量相位出现相对摆动，但摆动逐渐衰减并最终保持同步。仿真结果验证了PLL同步换流器在故障后能够维持同步运行的能力。

频率控制能力验证

在负载节点增加20MW有功功率的测试中，无频率控制时系统频率持续下降导致频率崩溃，而加入频率控制后，内部电流矢量频率在0.5秒内达到稳态，有功功率输出相应增加以补偿功率缺额。四机两区域系统的进一步验证表明，在±200MW功率扰动下，系统均能通过频率控制维持稳定运行。

研究结论与讨论

本研究通过理论分析和实验验证，证实了完全由PLL同步换流器组成的电力系统具备独立运行能力。这一发现打破了传统认知中运行独立性与同步方式之间的必然联系，为可再生能源高占比电力系统的规划设计提供了新的技术路径。研究提出的三重分析框架（同步稳定性、频率调节、电压控制）为评估换流器主导系统的运行能力提供了系统化方法。

值得注意的是，与同步发电机系统类似，100% PLL同步VSC系统并非在所有条件下都能独立运行，其运行性能受到具体控制策略和网络条件的制约。未来研究需要进一步关注惯性增强、黑启动能力实现以及并网标准制定等关键问题，以充分发挥PLL同步设备在未来电力系统中的潜力。

该研究的创新价值在于首次从系统运行本质需求出发，论证了PLL同步方式在特定控制策略下能够满足电力系统独立运行的基本要求，为构建100%可再生能源电力系统提供了重要的理论支撑和技术启示。