计及交直流耦合作用的并网VSC小扰动稳定性分析.pdf

电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报Proceedings of the CSU-EPSA第 35 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.35 No.6Jun.2023计及交直流耦合作用的并网 VSC 小扰动稳定性分析朱克平1，何英静1，但扬清1，李倩2，曹建春2，宗皓翔2（1.国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，杭州 310008；2.中电普瑞电力工程有限公司，北京 102200）摘要：针对忽略交直流耦合动态而造成并网电压源换流器小扰动稳定分析失准的问题，本文具体分析了交直流耦合作用对其稳定性的影响。首先，建立了电压源换流器交直流阻抗模型，并给出扫频测量方法验证了其准确性；然后，构建了电压源换流器交直流并网系统的广义源荷模型，利用广义奈氏判据对其进行稳定性评估；最后，具体分析了传统交流阻抗与所提交直流阻抗的判稳区别，以及直流侧动态、无功功率传输对于系统稳定边界的影响。所得结果表明了计及交直流耦合特性对于电压源换流器并网稳定边界准确刻画的必要性。关键词：并网电压源换流器；交直流；阻抗；小扰动稳定性；奈氏判据；扫频中图分类号：TM712文献标志码：A文章编号：1003-8930（2023）06-0106-10DOI：10.19635/ki.csu-epsa.001087Small-signal Stability Analysis of Grid-tied VSC Considering AC/DC CouplingsZHU Keping1，HE Yingjing1，DAN Yangqing1，LI Qian2，CAO Jianchun2，ZONG Haoxiang2（1.Economic and Technological Research Institute，State Grid Zhejiang Electric Power Co.，Ltd，Hangzhou 310008，China；2.China EPRI Science&Technology Co.，Ltd，Beijing 102200，China）Abstract:Aimed at the problem of inaccurate small-signal stability analysis due to the ignorance of AC/DC couplings，the effect of AC/DC couplings on the system stability is analyzed in detail in this paper.First，an AC/DC port impedance model of voltage source converter（VSC）is built，and its accuracy is validated by the frequency scanning measurement method.Second，the generalized source-load model for an AC/DC grid-tied VSC system is established，and its stability is assessed by the generalized Nyquist criterion.Finally，three aspects are studied，including the difference between the traditional AC impedance-based stability judgement and the proposed AC/DC impedance-based stabilityjudgement，as well as the effects of DC-side dynamics and reactive power transmission on the system stability margin.Results indicate that it is necessary to consider AC/DC couplings for the accurate estimation of grid-tied VSC stabilitymargin.Keywords:grid-tied voltage source converter（VSC）；AC/DC；impedance；small-signal stability；Nyquist criterion；frequency scanning构建以新能源为主体的新型电力系统是我国能源转型的重大战略之一1-2。作为新能源发电、传输和接入的核心装备，并网电压源换流器VSC（voltage source converter）内部的多带宽控制耦合作用极易引发各类宽频振荡问题3-4。文献5发现并网VSC的锁相环动态与弱电网交互容易导致系统失稳；文献6主要研究了并网VSC在与长距离串补线路连接时，所产生次/超同步振荡的原因。因此，有必要对VSC的并网稳定性进行深入探讨。阻抗分析方法7-8由于在电路上可扩展性强且易于测量，在电力电子变流器的稳定性分析中得到了广泛应用9。当前，电力电子变流器相关的阻抗稳定性研究大多将交流侧稳定性和直流侧稳定性分开进行分析。对于交流侧稳定性，文献10-11分别提出了计及交流侧镜像频率耦合特性12的dq阻抗与序阻抗建模方法；对于直流侧稳定性，文献13采用单维阻抗模型来刻画系统的直流侧动态并进行稳定性分析。这种分割处理的研究方法虽能够直观地揭示交流侧或直流侧的稳定机理，但由于忽略了对侧动态及耦合，会给稳定性的判定带来一定误差。为此，相关学者对方法做出了一些改进，提出了一种交直流侧等效阻抗建模方法14-16。文献14基于一种模块化建模思想，将交流侧动态叠加到直流侧，形成计及交流动态的直流等效阻抗模型；文收稿日期：2022-06-15；修回日期：2022-08-23网络出版时间：2022-09-05 17：18：49基金项目：国网浙江省电力有限公司科技项目（B311JY21000H）朱克平等：计及交直流耦合作用的并网 VSC 小扰动稳定性分析朱克平等：计及交直流耦合作用的并网VSC小扰动稳定性分析107第 35 卷献15通过构建一种指示函数，将直流侧动态耦合进交流侧，形成计及直流侧动态的交流等效阻抗模型。然而，这种交直流等效模型仅能够保留1个端口（交流或直流），不便于进行互联分析17，例如若交流、直流侧连接系统复杂，则较难通过上述方式获取某一侧的等效模型18。针对上述问题，有学者进一步提出一种交直流三端口阻抗建模方法19-21，其能够同时保留交直流端口特性。文献19将交直流三端口阻抗建模方法应用于电力电子变流器互联的交直流混合系统小扰动稳定性分析；文献20-21建立了三相两电平变流器VSC的三端口导纳模型。然而，上述文献较少讨论交直流耦合动态对于VSC并网稳定性的影响，且忽视了功率潮流对系统稳定边界的作用，例如无功功率的发出或吸收水平。同时，上述文献仍然采用交流侧等效阻抗的形式来验证所建立三端口阻抗的准确性，缺乏直观性。为此，本文首先给出了VSC交直流三端口阻抗的建模及扫频验证方法，直观展示了交直流及其耦合项的表征形式；然后，对比研究了忽略直流分量及其耦合动态对于系统判稳精度的影响；最后，定量评估了无功传输方向和大小对系统稳定性的影响。1交直流三端口阻抗建模本节首先分析了VSC的传统二端口导纳建模，然后给出计及直流分量及其耦合动态的交直流三端口阻抗建模方法。以图1所示VSC为例，考虑锁相环PLL（phase locked loop）控制、定无功功率或定直流电压外环控制及电流内环控制等环节。1.1传统交流二端口导纳模型1.1.1主电路建模将图1所示三相变量通过Park变换转化为dq变量，可得主电路的dq小信号模型为uc,dq=-Zfdq()s ig,dq+ug,dq（1）式中：uc,dq为变换器侧小信号dq电压，uc,dq=uc,duc,q；ig,dq为变换器输出小信号dq电流，ig,dq=ig,dig,q；ug,dq为并网点处小信号 dq 电压，ug,dq=ug,dug,q；Zfdq为交流滤波器阻抗，Zfdq()s=Rf+sLf-1Lf1LfRf+sLf。传统交流二端口导纳建模中，多忽略直流侧动态（即认为直流电压恒定），故调制电压可表示为uc,dq=mdq()s Vdc0（2）式中：mdq()s为变换器输出小信号 dq 调制比，mdq()s=mdmqT，其中md和mq分别为调制比函数的d、q轴小信号分量；Vdc0为直流电压稳态值。1.1.2控制部分建模1）锁相环根据文献10，PLL的小信号模型可表示为pll=Hpll()ss+Ug,d0Hpll()sug,q（3）Tpll()s=Hpll()ss+Ug,d0Hpll()s式中：Ug,d0为并网点d轴电压稳态值；Hpll()s为PLL的PI控制器传递函数；Tpll()s为PLL的闭环传递函数；pll为PLL输出的同步相角。受PLL影响，需将控制参考系变量转化到同步参考系下，二者的转化关系可表示为icg,dq=ig,dq+Ipllg,dq0()s ug,dqucg,dq=Upllg,dq0()s ug,dqmcdq=mdq+Mplldq0()s ug,dqIpllg,dq0=0 Ig,q0Tpll()s0-Ig,d0Tpll()s,Mplldq0=0 mq0Tpll()s0-md0Tpll()sUpllg,dq0=1Ug,q0Tpll()s0 1-Ug,d0Tpll()s（4）式中：icg,dq、ucg,dq、mcdq的上标c代表控制参考系变量，其余为同步参考系变量；Ipllg,dq0()s为电流相关PLL动态；Mplldq0为调制比相关PLL动态；Upllg,dq0为电压相图 1VSC 主电路拓扑及控制结构Fig.1Main circuit topology and control structure of VSC1Vdc0ic*g,dqic*g,dqKdic*g,qHcc(s)-e-sTsmcdq内环控制外环控制ic*g,dV*dcudcQQ*HPQ(s)HDC(s)+-+-+-+-1sHpll(s)ucg,qsabc/dqpll锁相环控制部分主电路ig,d,ig,quc,d,uc,qig,abcRfug,abcuc,abcug,d,ug,qLfu*c,abcudcidcVSC+-+-电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报108第 6 期关PLL动态；Ig,d0和Ig,q0分别为并网点d、q轴电流稳态值；md0和mq0分别为d、q轴调制比稳态值；Ug,q0为并网点q轴电压稳态值。2）电流内环根据图1所示电流内环结构，可将控制参考系下的调制比表示为mcdq=-e-sTsVdc0Hcc()ic*g,dq-icg,dq-Kdicg,dq（5）式中：Hcc为电流内环控制 dq 传递函数，Hcc=diag()Hcc()sHcc()s，其中Hcc()s为电流环PI控制器传递函数；Kd为交叉解耦项；Ts为控制器延时；ic*g,dq为电流参考值输入；Vdc0为直流电压稳态值。将式（4）代入式（5）可得到同步参考坐标系下的调制比mdq为mdq=-e-sTsVdc0Hccic*g,dq+e-sTsVdc0()Hcc+Kdig,dq+e-sTsVdc0()HccIpllg,dq0+KdIpllg,dq0-Mplldq0ug,dq（6）T1cc=-e-sTsVdc0Hcc，T2cc=e-sTsVdc0()Hcc+KdT3cc=e-sTsVdc0()HccIpllg,dq0+KdIpllg,dq0-Mplldq0式中，T1cc、T2cc和T3cc为与调制比相关的传递函数。将式（6）代入式（2）可得电流内环输出的调制电压为uc,dq=()T1ccic*g,dq+T2ccig,dq+T3ccug,dqVdc0（7）3）定直流电压/无功功