第7.2节 构网型变流器关键参数设计与整定方法

7.2.1 引言：参数整定的核心地位与目标

在构建了构网型变流器（GFM）的多时间尺度控制架构后，控制系统的最终动态性能、稳定裕度及与电网的交互特性，根本上取决于各层级控制环中关键参数的取值。这些参数，如虚拟惯量JJJ、阻尼系数DDD、下垂系数mpm_pmp​/nqn_qnq​、电流环带宽等，并非独立的调节旋钮，而是相互耦合、共同决定了GFM作为一个“受控电压源”的整体外特性。不当的参数组合轻则导致系统动态响应迟缓、振荡，重则在特定电网条件下（尤其是弱电网）引发失稳。

因此，参数设计与整定是连接控制理论、硬件平台与最终并网性能的核心桥梁。其根本目标是：在满足《构网型变流器通用技术规范》等并网标准对稳态精度、动态响应和穿越能力硬性要求的前提下，通过系统化的方法，寻得一组或多组参数，使得GFM在预期的运行范围（如并网/孤岛、强网/弱网、额定/轻载）内，均能实现静态稳定、动态性能优良、鲁棒性强。

本节将从参数整定的基本理论出发，深入剖析各核心参数的作用机理、设计约束及工程整定流程，并探讨在多机并联与弱电网等复杂场景下的特殊考量。

7.2.2 参数整定的基本理论与目标体系

构网型变流器的参数整定是一个多目标优化问题，其理论基础主要建立在频域稳定性分析（如阻抗建模、奈奎斯特判据、根轨迹法）和时域动态性能评估之上。整定过程需平衡以下几方面，有时相互冲突的目标：

1. 稳定性：首要目标。确保系统在所有预期运行工况下，小信号稳定（特征根位于左半平面），并具有足够的稳定裕度（相位裕度、幅值裕度）。
2. 动态性能：包括对功率指令、频率扰动、电压跌落的响应速度（如调节时间）、超调量以及振荡抑制能力（阻尼比）。
3. 稳态精度：如一次调频的静态频率偏差、电压调节的静态电压偏差，这主要由下垂系数决定。
4. 电网支撑能力：虚拟惯量JJJ决定了惯性响应强度，影响频率变化率（RoCoF）；动态无功支撑系数决定了低电压穿越期间的电压支撑力度。
5. 鲁棒性：参数组应对电网阻抗变化（短路比SCR波动）、工作点变化（功率输出水平）以及模型不确定性（如滤波参数偏差）具有一定的适应性。

7.2.3 核心控制参数作用机理与设计约束

7.2.3.1 功率同步层参数：虚拟惯量JJJ与阻尼系数DDD

在以虚拟同步机（VSG）为代表的构网控制中，JJJ和DDD是最核心的参数，直接模拟同步发电机的转子动力学：

Pref−Pe=Jω0dΔωdt+DΔω P_{ref} - P_e = J\omega_0 \frac{d\Delta\omega}{dt} + D\Delta\omegaPref​−Pe​=Jω0​dtdΔω​+DΔω

• 虚拟惯量JJJ：

  • 作用机理：JJJ表征系统存储和释放“虚拟动能”的能力。JJJ值越大，面对功率扰动ΔP\Delta PΔP时，频率变化率dΔω/dtd\Delta\omega/dtdΔω/dt越小，对电网频率的惯性支撑作用越强，能有效抑制初始RoCoF。
  • 设计约束：JJJ并非越大越好。过大的JJJ会延缓系统频率恢复过程，并可能在与弱电网交互时，因响应过慢而降低相位裕度，诱发低频振荡。其设计需结合电网对RoCoF的要求以及系统稳定性分析。一种基于RoCoF限制的初步估算公式为：J≥ΔPmax⋅f02⋅SN⋅∣RoCoF∣limitJ \geq \frac{\Delta P_{max} \cdot f_0}{2 \cdot S_N \cdot |RoCoF|_{limit}}J≥2⋅SN​⋅∣RoCoF∣limit​ΔPmax​⋅f0​​，其中ΔPmax\Delta P_{max}ΔPmax​为最大预期功率扰动。

• 阻尼系数DDD：

  • 作用机理：DDD模拟同步机的阻尼绕组效应，提供正阻尼以消耗振荡能量。它直接影响系统受扰后功率/频率摇摆的衰减速度和超调量。
  • 设计约束：