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💥第一部分——内容介绍

摘要：随着新能源发电渗透率的持续攀升，电力系统正经历从同步机主导到逆变器主导的深刻转变，系统惯量水平下降与暂态稳定裕度收窄成为突出问题。本文基于IEEE 39节点标准测试系统，构建了包含6台跟网型逆变器、4台构网型逆变器及1台分布式光伏发电单元的混合并网模型。构网型逆变器采用虚拟同步发电机（VSG）控制，通过虚拟惯量与阻尼系数模拟同步机转子运动特性；跟网型逆变器采用功率下垂控制，依据P-f静态特性实现功率的快速响应；光伏单元以PQ控制方式运行，并于仿真第5秒投入以模拟新能源功率波动。本文从暂态能量函数视角分析了混合系统的失稳机理，重点探讨了构网/跟网容量配比对临界清除时间与频率最低点的影响规律。分析表明，构网型逆变器的虚拟惯量支撑可有效延缓频率跌落速率，但构网与跟网单元之间的动态耦合可能引发模式切换后的振荡失稳，二者容量比例存在稳定边界。本文的研究可为高比例新能源电力系统的逆变器配置与暂态稳定评估提供参考。

关键词：IEEE 39节点系统；构网型逆变器；跟网型逆变器；虚拟同步发电机；下垂控制；暂态稳定性；混合系统

1 引言

传统电力系统的暂态稳定分析以同步发电机为核心对象，其转子运动方程所描述的惯量响应与阻尼特性构成了系统抵御扰动的物理基础。然而，以光伏、风电为代表的新能源发电通过电力电子逆变器并网，其动态行为不再受制于机械转子，而是由控制策略决定。当逆变器电源大规模替代同步机组时，系统等效惯量显著降低，频率变化率（RoCoF）增大，暂态过程中的频率跌落深度与恢复速度均面临严峻挑战。

为应对上述问题，构网型（Grid-Forming, GFM）控制策略应运而生。其核心思想是使逆变器模拟同步发电机的外特性，主动为系统提供电压与频率支撑。虚拟同步发电机（VSG）控制是构网型策略的典型代表，通过引入虚拟惯量和阻尼系数，使逆变器在功率不平衡时表现出类似同步机的惯性响应。与此相对，跟网型（Grid-Following, GFL）逆变器通过锁相环跟踪电网电压相位，采用下垂控制或PQ控制实现功率调节，其本身不提供惯量支撑，但在强电网条件下具有响应速度快、控制结构简单的优势。

实际电力系统中，构网型与跟网型逆变器往往共存运行，形成混合系统。两类逆变器在同步机制、动态响应时间尺度及故障穿越行为上的差异，使得混合系统的暂态稳定特性远比单一类型系统复杂。构网型逆变器在故障期间的限流措施可能导致其运行模式切换，进而改变与跟网型逆变器之间的动态耦合关系，甚至引发连锁失稳。此外，光伏发电作为功率扰动源，其出力波动会进一步加剧混合系统的暂态应力。

本文以IEEE 39节点系统为平台，构建“构网+跟网+光伏”的混合并网模型，从暂态稳定角度分析三类电源的交互机理。重点研究光伏于第5秒投入后，构网型VSG的惯量支撑效果、跟网型下垂控制的响应特性，以及二者容量配比对系统暂态行为的影响。本文不涉及控制器参数设计的具体代码实现，旨在从物理机理层面揭示混合系统的稳定边界与失稳模式。

2 混合系统建模与配置

2.1 IEEE 39节点系统基础框架

IEEE 39节点系统（又称新英格兰测试系统）是电力系统稳定性分析的经典基准模型，包含10台同步发电机、39条母线及46条支路。系统以Bus-31为平衡节点，其余发电机分别接入Bus-32至Bus-39，负荷分布于各母线。标准模型的负荷水平与网络参数为暂态分析提供了成熟的参考工况。

本文在保留IEEE 39节点网络拓扑与同步机组的基础上，对部分发电机节点进行逆变器替代改造，形成混合电源结构。具体而言，选取6个节点配置跟网型逆变器，4个节点配置构网型逆变器，另有1个独立节点接入分布式光伏发电单元。所有逆变系统均采用等值模型，即忽略逆变器内部开关动态，以受控源形式表征其外特性。

2.2 构网型逆变器的VSG控制机理

构网型逆变器采用虚拟同步发电机控制作为外环，内环为电压电流双PI闭环。VSG控制的核心在于模拟同步机的转子运动方程：当系统频率偏离额定值时，逆变器依据虚拟惯量常数释放或吸收有功功率，以“惯量响应”的方式抑制频率变化速率。

从暂态稳定视角看，VSG的虚拟惯量改变了逆变器的功率-角度动态特性。同步机的功角特性由物理转子惯性决定，而VSG的等效惯量则由控制参数整定，这使得其暂态响应时间尺度可调。在故障或功率扰动初期，VSG能够提供类似于同步机的减速或加速功率，延缓功角或频率的恶化速度。然而，虚拟惯量的引入也降低了逆变器对功率指令的跟踪速度，使其在稳态恢复阶段可能表现出比跟网型逆变器更长的调节时间。

2.3 跟网型逆变器的下垂控制机理

跟网型逆变器采用功率下垂控制加电流PI闭环。下垂控制模拟同步机的有功-频率（P-f）静态特性：当电网频率下降时，逆变器依据下垂系数增加有功输出，反之亦然。与VSG不同，下垂控制不含惯量环节，其功率响应是瞬时或准稳态的，不含模拟转子惯量的微分项。

这一特性决定了跟网型逆变器在暂态过程中的双重角色：一方面，其快速功率响应有助于在频率跌落时迅速提供有功支撑，缓解稳态频率偏差；另一方面，由于缺乏惯量缓冲，跟网型逆变器的功率变化可能加剧系统暂态过程中的功率振荡，尤其在多逆变器并联运行时，下垂系数选择不当可能引发功率环流或振荡失稳。

2.4 光伏发电单元的PQ控制

光伏单元以PQ控制方式并网，内环同样采用电流PI闭环。PQ控制意味着光伏逆变器按照给定的有功和无功参考值输出功率，不参与频率或电压的主动调节。在本研究中，光伏单元被设定为功率扰动源，其出力在仿真第5秒发生阶跃变化，以模拟新能源发电的波动性。

从暂态稳定分析的角度，光伏的功率阶跃注入将在系统中产生一次新的功率不平衡。该扰动的幅值与速率决定了构网型与跟网型逆变器的响应强度。光伏渗透率越高，扰动引起的系统频率与电压波动越显著，对混合系统稳定性的考验也越严峻。

3 混合系统的暂态稳定机理分析

3.1 构网与跟网逆变器的同步机制差异

构网型与跟网型逆变器的根本差异在于同步机制。跟网型逆变器通过锁相环（PLL）测量电网电压相位，实现与电网的同步，其行为依赖于电网电压的存在与质量。在弱电网或故障条件下，PLL的动态特性可能恶化，导致跟网型逆变器失稳。构网型逆变器则自主生成电压相位参考，以内电势的功角关系与电网同步，不依赖PLL测量。这使得构网型逆变器在弱电网中具有更强的鲁棒性。

在混合系统中，构网型逆变器承担了“电压源”角色，为跟网型逆变器提供电压参考。跟网型逆变器的PLL跟踪由构网型单元建立的电压相位，二者形成主从式的同步关系。这种结构的优势在于，构网型单元的存在改善了电网强度，使跟网型单元能在更有利的条件下运行。然而，当构网型单元因限流或故障退出运行时，跟网型单元将失去同步参考，可能触发连锁脱网。

3.2 暂态能量视角下的失稳模式

从暂态能量函数的角度，混合系统的失稳可表现为两种模式：功角失稳与电压失稳。构网型逆变器具有明确的功角特性，其暂态稳定问题与同步机类似，可以用等面积准则近似描述。跟网型逆变器的功率动态与PLL相位动态强耦合，其失稳往往表现为PLL输出相位的持续偏移或振荡。

光伏功率阶跃注入后，系统中出现功率缺额或盈余，构网型VSG通过惯量响应释放或吸收动能，暂态能量在虚拟转子中积累。若扰动后系统能够到达新的稳定平衡点，VSG的虚拟转子将在阻尼作用下收敛；若能量积累超过临界值，则VSG功角单调失稳或振荡发散。跟网型逆变器的下垂控制虽然不直接贡献暂态动能，但其功率响应改变了网络中的功率分布，间接影响VSG的减速面积。

3.3 混合系统的临界稳定条件

混合系统的暂态稳定边界取决于多个因素的耦合：构网型逆变器的虚拟惯量与阻尼、跟网型逆变器的下垂系数、两类逆变器的容量比例、光伏扰动的幅值与位置，以及故障清除时间（若存在短路故障）。

研究表明，构网型逆变器的接入可显著提升系统的临界清除时间（CCT）。这是因为VSG在故障期间能够维持内电势相位，为故障清除后的再同步提供参考。然而，构网型逆变器的电流限幅环节在深度电压跌落时会触发模式切换，从电压源模式退化为电流源模式，此时其同步能力暂时丧失，若切换时间过长或故障清除过晚，可能导致构网型单元失步。

构网与跟网逆变器的容量配比同样影响稳定边界。当构网型容量占比过低时，系统有效惯量不足，频率跌落深度和RoCoF可能超出保护阈值；当构网型容量过高时，虽然惯量支撑增强，但构网型单元之间的功角交互可能引入新的振荡模式。此外，跟网型逆变器的下垂系数若整定不当，可能在暂态过程中产生与VSG相反的功率响应，抵消部分惯量支撑效果。

4 仿真场景与预期暂态行为分析

4.1 光伏投入作为功率扰动

仿真中，光伏单元于第5秒从零出力阶跃至额定出力。该功率阶跃在系统中产生相当于光伏容量大小的功率盈余，导致母线频率上升趋势（若光伏接入点附近负荷不足）或改变原有潮流分布。构网型VSG将检测到频率偏差，依据虚拟惯量释放减速功率（若频率上升则吸收功率），抑制频率上升速率。跟网型逆变器则依据P-f下垂特性减少有功输出，以平衡光伏注入。

这一场景的核心观察量包括：构网型逆变器接入节点的频率变化率（RoCoF）、频率最低点或最高点、VSG虚拟转子角速度偏差，以及跟网型逆变器的有功功率响应曲线。预期结果显示，VSG的惯量响应将显著降低RoCoF，但可能产生一定的频率超调或振荡；跟网型逆变器的下垂响应则有助于减小稳态频率偏差，但其快速动作可能加剧暂态初期的功率振荡。

4.2 暂态参数的可观测量与分析方法

为评估混合系统的暂态稳定性，建议关注以下可观测量：

其一，各逆变器节点的电压幅值与相角。构网型节点的电压相角变化反映了VSG的功角动态，跟网型节点的相角则受PLL动态影响。二者的相对相角差是判断系统同步稳定性的关键指标。

其二，有功功率与无功功率的暂态轨迹。构网型逆变器的有功输出包含惯量分量与阻尼分量，跟网型逆变器的有功输出直接反映下垂响应。对比二者的功率响应时间与幅值，可辨识两类逆变器在暂态过程中的贡献与冲突。

其三，频率的空间分布。由于构网型与跟网型逆变器对频率变化的响应机制不同，系统中可能出现频率的空间不均匀性。构网型节点附近频率变化较为平滑，跟网型节点附近的频率则可能因PLL动态而表现出高频振荡分量。

4.3 混合系统失稳的典型场景推演

基于混合系统的动态特性，以下场景可能导致暂态失稳：

场景一：构网型容量不足时的频率崩溃。若构网型逆变器总容量远小于光伏阶跃功率，VSG的惯量支撑不足以将RoCoF限制在保护装置动作阈值以内，频率可能持续跌落或上升，触发低频/高频减载。

场景二：跟网型与构网型的反向响应。若跟网型逆变器的下垂系数过大，在频率变化时其功率响应可能超出合理范围，与VSG的惯量响应形成功率环流，导致局部线路过载或振荡放大。

场景三：模式切换引发的同步丧失。若仿真中包含短路故障，构网型逆变器在故障期间因限流而切换至电流源模式，故障清除后若不能及时恢复电压源模式，其与跟网型逆变器之间的同步关系将断裂，系统可能分裂为多个孤岛。

5 结论

本文基于IEEE 39节点系统构建了构网型VSG逆变器、跟网型下垂逆变器与分布式光伏共存的混合并网模型，从暂态稳定视角分析了三类电源的交互机理与潜在失稳模式。分析表明，构网型逆变器的虚拟惯量为系统提供了必要的频率支撑，但其效果受限于容量占比与电流限幅约束；跟网型逆变器的快速功率响应有助于减小稳态偏差，但可能在暂态过程中引入附加振荡；光伏功率阶跃作为扰动源，其幅值与接入位置决定了混合系统的暂态应力水平。

混合系统的暂态稳定性本质上是构网与跟网两类控制策略在时间尺度上的协调问题。构网型单元主导毫秒至秒级的惯量响应，跟网型单元主导秒级至分钟级的功率调节。二者的协调不当可能导致“快响应冲突”或“慢响应不足”。未来研究可进一步探讨自适应虚拟惯量策略在混合系统中的应用，以及构网/跟网容量配比的优化配置方法。

📚第二部分——运行结果

基于IEEE39节点系统的构网(VSG控制)/跟网(下垂控制)混合逆变器与分布式新能源光伏接入暂态稳定性分析

🎉第三部分——参考文献

文章中一些内容引自网络，会注明出处或引用为参考文献，难免有未尽之处，如有不妥，请随时联系删除。(文章内容仅供参考，具体效果以运行结果为准)

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