[论文解读] Unified Virtual Oscillator Control for Grid-Forming and Grid-Following Converters

M A Awal, Iqbal Husain|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 33被引用 9

一句话总结

本文提出了一种统一虚拟振荡器控制器（uVOC），可在电压源换流器中实现无需锁相环（PLL）的无缝电网支撑（GFM）与电网跟随（GFL）运行。通过集成具有快速过流限制功能的非线性空间矢量振荡器与虚拟阻抗，uVOC在弱电网条件下确保稳定同步，并具备故障 ride-through 能力，无需控制器切换，已在混合交直流微电网中通过硬件实验得到验证。

ABSTRACT

A unified virtual oscillator controller (uVOC) is proposed, which enables a unified analysis, design, and implementation framework for both grid-forming (GFM) and grid-following (GFL) voltage source converters (VSCs). Oscillator based GFM controllers, such as dispatchable virtual oscillator control (dVOC), offer rigorous analytical framework with enhanced synchronization, but lack effective fault handling capability which severely limits practical application. The proposed uVOC facilitates synchronization with an arbitrarily low grid voltage and fast over-current limiting; this enables effective fault ride-through unlike existing GFM controllers which typically switch to a back-up controller during fault. GFM operation with uVOC is achieved in both grid connected and islanded modes with seamless transition between the two. In GFL converters, bidirectional power flow control and DC bus voltage regulation is achieved with uVOC. No phase-locked-loop (PLL) is required for either GFL or GFM operation circumventing the synchronization issues associated with PLLs in weak grid applications. Detail small signal models for GFM and GFL operation have been developed and systematic design guidelines for controller parameters are provided. The proposed controller is validated through hardware experiments in a hybrid AC-DC microgrid.

研究动机与目标

• 为解决基于振荡器的电网支撑型换流器目前在故障期间缺乏有效故障 ride-through 能力的问题，这些换流器在故障时需要备用控制器。
• 统一电压源换流器（VSC）中电网支撑与电网跟随运行的控制框架，实现并网与孤岛模式之间的无缝切换。
• 消除对锁相环（PLL）的依赖，从而避免在弱电网条件下出现同步问题。
• 通过小信号建模与稳定性分析，提出 uVOC 控制器参数的系统化设计方法。
• 在无 PLL 的电网跟随模式下，实现双向功率流动控制与直流母线电压调节。

提出的方法

• uVOC 以空间矢量振荡器（SVO）为核心同步机制，实现 GFM 与 GFL 运行的时域非线性控制。
• 在 SVO 后级串联接入补偿器，以实现快速过流限制，这对低电网电压下的故障 ride-through 至关重要。
• 控制器采用基于非线性动力学推导的虚拟振荡器模型，具备 P-V 与 Q-ω 下垂特性，用于调节有功与无功功率。
• 通过引入模拟虚拟阻抗，提升系统稳定性与故障响应性能，尤其在电网故障期间表现更优。
• 针对 GFM 与 GFL 模式分别建立小信号模型，通过在平衡点附近线性化，实现控制器参数的系统化整定。
• 控制器在混合交直流微电网中实现并经硬件实验验证，证明其在故障条件下具备无缝运行与强鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一虚拟振荡器控制器是否能够在不切换控制策略的前提下，实现 GFM 与 GFL 模式下的稳定无缝运行？
• RQ2 虚拟振荡器控制器如何在任意低电网电压条件下实现故障 ride-through 能力，且无需依赖备用控制器？
• RQ3 在基于非线性振荡器的控制框架中，串联补偿器在实现快速过流限制中起到何种作用？
• RQ4 与传统基于 PLL 的方法相比，无 PLL 设计如何提升弱电网条件下的同步稳定性？
• RQ5 控制器参数（μ, η）的系统化设计准则为何？如何确保在整个运行范围内实现额定功率输出与稳定性？

主要发现

• uVOC 实现了电网支撑运行下并网与孤岛模式之间的无缝切换，保持同步而无需控制器切换。
• 通过与任意低电网电压同步并实施快速过流限制，控制器实现了故障 ride-through，无需备用控制器。
• 在混合交直流微电网中的硬件实验验证了 uVOC 在正常与故障工况下的稳定运行，包括电压暂降与孤岛事件。
• 小信号模型分析为 μ 与 η 参数的选择提供了清晰的设计指导，可满足额定功率输出与稳定性要求。
• 在无 PLL 的电网跟随模式下，uVOC 实现了双向功率流动控制与直流母线电压调节，降低了系统复杂性并提升了鲁棒性。
• 控制器在弱电网条件下保持稳定与高性能，避免了传统 PLL 系统中常见的次同步振荡问题。