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1、華北電力大學N O R T HR S I T Y柔性直流輸電系統的小信號動態模型和穩定性分析1目錄華北電力大學N O R T H C H DR S I T YT R柔直小信號穩定性分析的必要性基于小信號模型的V S C 穩定性分析基于小信號模型的M M C 穩定性分析柔性直流輸電技術應用的必然性可再生能源的規模化開發利用，迫切需要柔性化輸電技術傳統傳統柔性交流直流直流分布式電源和主動負荷的行為特征，亟待加強配網的調控能力輸電輸電輸電大型城市電網負荷快速增長與輸電走廊緊缺、短路電流超標的矛盾迫切需要新的供電技術柔性直流輸電前景廣闊截止2 0 1 6 年末全國發電裝機總容量1 6 5 0 G W12、.9 5%7.0 5%1.4 6%火電水電核電*并網風電2 2,2 0%6 7.3 4%并網太陽能5柔性直流輸電的標志性工程投運時間1 9 9 7工程名稱瑞典H a l l s j n拓撲 直流電壓 容量結構(k V)(M W)兩電平 1 032主要用途試驗工程2 0 0 0 澳大利亞D i r e c t l i n k 兩電平 8 01 8 02風電并網電力交易2 0 0 2澳大利亞M u r r a y L i n k三電平 2 5 02 0 02系統互聯電壓支撐T r a n s B a y C a b l eM M C 2 0 02 0 1 0P r o j e c t(S I E 3、M E N S)南澳多端柔性直流2 0 1 3M M C1 6 0輸電示范工程4 0 02 0 02 城市中心供電3 海上風電互聯舟山多端柔性直流2 0 1 4M M C輸電重大示范工程2 0 04 0 05 島嶼電網互聯廈門柔性直流輸電2 0 1 5M M C3 2 0科技示范工程1 0 0 02 城市中心供電M M C-2 0 1 6 云南-廣西異步聯網3 5 0L C C1 0 0 02異步聯網計劃渝鄂直流背靠背M M C4 2 0 4*1 2 5 0 2異步聯網2 0 1 8聯網工程計劃新能源向特大張北直流電網工程 M M C 5 0 03 0 0 042 0 1 8城市供電計劃 烏東4、德特高壓輸電M M C8 0 08 0 0 0西電東送32 0 2 0工程拓撲結構兩電平三電平多電平直流電壓(k V)1 0 2 0 0 3 2 0 5 0 0 8 0 0額定容量(M W)3 4 0 0 1 0 0 0 3 0 0 0 8 0 0 0端數2 3 5 直流電網換流器組合單一柔直M M C/L C C 混合整體趨勢：高電壓大容量結構復雜化柔性直流輸電已經并將長期在電網中發揮關鍵作用6柔性直流輸電的穩定運行是電網的重大需求柔性直流輸電已經并將長期在電力系統中發揮關鍵作用特點：高電壓、大容量、復雜結構、多端、直流電網場合：新能源聯網、城市供電、電網互聯、多類型電源和負荷的接入柔性直流5、輸電在交直流混聯電網中穩定性研究的難點強非線性：超大規模電力電子器件的時變開關特征強耦合性：交直流混聯、L C C/V S C 共存、發電設備類型多樣強復雜性：網絡巨大、結構復雜、運行方式多變、小/大擾動性質多樣復雜問題認識關鍵難點剝離逐一擊破7柔性直流輸電的穩定運行是電網的重大需求(續)復雜問題認識關鍵難點剝離逐一擊破 柔直是區別與傳統電網的新元素之一，因此探討柔直自身行為特征及與外部系統的交互作用，可作為新一代電網穩定性研究的關鍵基礎之一。小信號穩定性分析1)可為系統設計和參數選擇提供指導；2)可揭示弱阻尼或不穩定模態及主導因素；3)可為大擾動發生前系統的穩定裕度提供參考；4)可提供提高穩6、定性的思路/方法。因此，探究柔直的小信號穩定性具有學術研究和工程指導價值。模型是基礎方法是關鍵本質是目標柔直小信號動態模型經典特征根分析法弱阻尼或不穩定模態特征提出抑制小信號失穩現象的措施柔性直流輸電系統的小信號動態模型和穩定性分析8目錄北電力大學華N O R T H C H NR S i T Y小信號建模的必要性基于小信號模型的V S C 穩定性分析基于小信號模型的M M C 穩定性分析9基于小信號模型的V S C 穩定性分析研究背景：弱交流電網下V S C 系統的小信號穩定性 場景一：規模化風電/太陽能僅通過柔直并網 場景二：柔直向孤島或弱系統供電場景三：柔直接入傳統多饋入直流的交流網絡存7、在問題：電流矢量控制(V C C)具有控制速度快、有功無功解耦控制、故障后快速限流特性等，得到廣泛采用；V C C 控制采用d q 坐標系電氣量，P L L 為其提供d q 變換基準；弱系統下P L L 和V C C 控制(尤其是電壓/無功控制環)的緊密耦合特性，使系統在高P L L 增益下易引起小信號失穩現象1 。1 J.Z.Z h o u,H.D i n g,S.F a n,Y.Z h a n g,a n d A.G o l e.I m p a c t o f s h o r t-c i r c u i t r a t i o a n d p h a s e-l o c k e d-l o8、 o pp a r a m e t e r s o n t h e s m a l l-s i g n a l b e h a v i o r o f a V S C-H V D C c o n v e r t e r,”I E E E T r a n s.P o w e r D e l,v o l.2 9,n o.5,p p.2 2 8 7-2 2 9 6,O c t.2 0 1 4.1 0基于小信號模型的V S C 穩定性分析-續目前解決思路及存在問題方案1:功率同步控制(P o w e r-S y n c h r o n i z a t i o n C o n t r o l,P S C9、)2 存在問題：正常工作時無P L L,故障后需要切換到傳統V C C 控制限制流過換流器的電流方案2:基于V C C 控制的增益自動調節方法(g a i n-s c h e d u l i n g )3 存在問題：不同運行點需要自動調節控制器參數方案3:基于V C C 控制的虛擬阻抗4 或虛擬母線方法 5 存在問題：嚴重故障下的特性并未涉及，尤其是限流特性 2 L.Z h a n g,L.H a r n e f o r s,a n d H-P.N e e,P o w e r-s y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l o f g r i d-c o10、 n n e c t e d v o l t a g e-s o u r c e c o n v e r t e r s,I E E E T r a n s.P o w e r S y s t.,v o l.2 5,n o.2,p p.8 0 9-8 2 0,M a y 2 0 1 0.3 F g e a-A l v a r e z A,F e k r i a s l S,H a s s a n F,e t a l“A d v a n c e d V e e t o r C o n t r o l f o r V o l t a g e S o u r c e C o n v e r t e 11、r s C o n n e c t e d t oW e a k G r i d s”.I E E E T r a n s.P o w e r S y s t,v o l.3 0,n o.6,p p.3 0 7 2-3 0 8 1,N o v.2 0 1 5.4 J.A.S u n u l,S.D A r c o,P R o d r i g u e z,M.M o l i n a s,I m p e d a n c e-c o m p e n s a t e d g r i d s y n c h r o n i z a t i o n f o r e x t e n d i n g t h 12、es t a b i l i t y r a n g e o f w e a k g r i d s w i t h v o l t a g e s o u r c e c o n v e r t e r s,I E T G e n e r a t i o n T r a n s m i s s i o n&D i s t r i b u t i o n,v o l.1 0,n o.6p p.1 3 1 5-1 3 2 6,A p r.2 0 1 6 5 M.E M.A r a n i,Y.A-R.I.M o h a m e d,“A n a l y s i s a n d P e r f o13、 r m a n c e E n h a n c e m e n t o f V e c t o r-C o n t r o l l e d V S C i n H V D CL i n k s C o n n e c t e d t o V e r y W e a k G r i d s,”I E E F T r a n s a c t i o n s o n P o w e r S y s t e m s,v o l.3 2,n o.1,p p.6 8 4-6 9 3,J a n.2 0 1 7.1 1基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制新解決方案出發點1)可有效改善弱系統下V14、 S C 系統的穩定性；2)需具備限流功能。頻率同步控制 6-8 電流矢量控制外環+類發電機控制內環兩種新方案附加頻率阻尼控制 9,1 0 P L L 頻率信息+附加阻尼 6 C h u n y i G u o,W e i L i u,C h e n g y o n g Z h a o,R e z a I r a v a n i.A F r e q u e n c y-b a s e d S y n c h r o n i z a t i o n A p p r o a c h f o r t h e V S C-H V D C S t a t i o nC o n n e c t e d t15、 o a W e a k A C G r i d I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r D e l i v e r y,2 0 1 7,3 2(3),1 4 6 0-1 4 7 0 7 郭春義，寧琳如，劉煒，趙成勇，劉棟，基于頻率同步控制的V S C-H V D C 在弱交流系統下的動態特性研究 J .中國電機工程學報2 0 1 7,3 7(1 5):4 3 4 4-4 3 5 4.8 郭春義，劉煒，趙成勇.一種適用于V S C-H V D C 聯接極弱交流電網的功率阻尼同步控制方法.中國發明專利，2 0 1 5 1 0 8 3 9 6 116、 9.6,已公開 9 王燁，寧琳如，趙成勇，郭春義.V S C-H V D C 聯接弱交流系統下的新型附加頻率阻尼控制方法.中國電機工程學報(已錄用)1 2 1 0 趙成勇，王燁，郭春義，寧琳如，劉棟.新型附加頻率阻尼控制方法.中國發明專利：2 0 1 7 1 0 5 7 4 5 4 9 5,已受理，基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制弱交流電網下P L L 對V S C 系統小信號穩定性的影響V n6 4P L LP,Q?初始運行狀態：V c-V o m oV L-V m?0V?-V m a oRLR sL sP C CS C R=1.0,阻抗角8 5;逆變運行，v=1.0 p.17、u.、i e(i a i n)i(i u i n)i(i?i n)C:V S CP=1.0 p.u.、K p L L=5 K p p L L1 5 01 0 0虛軸s 00增加K p u(從1 0 到1 5 0=1主導模態5 0-1 0 04 5 0 L-1 5-1 0-5實軸050.70.60.5阻尼比0.40.30.20.10.0 s0-0.1-0.21 03 05 0A(1 1 0,0.0 5)B(1 2 0,0)7 09 0K p p L L1 1 0 1 2 0 1 3 01 5 01 3基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制4 0 0A s(2.5 3 7 2)T=0.018、 5 5 s1 0 41 2 01(n d)1.1 51.0 01.1 00.5 8power1.0 50 9 62 42 62 22.1.0 0WActive0.9 5t=0.5 s,K p t s t e p s f r o m 1 0 t o 1 3 00.9 00.8 50.51.01.52.02.53.0T i m e(s)3 5 0Arar的可行城A a(2.0,3 0 9)3 0 02 5 0A s(1 5,2 2 9)2 0 01 8 6A:(1.3,1 8 6)1 5 04(1.0.1 2 0)1 0 01.01.31.52.02.5S C R矛盾體：動態響應速度、小信號穩定19、裕度、暫態性能動態響應速度要求高控制系統增益，例如較大的P L L 增益K p p u L 小信號穩定性要求控制系統增益不能過大，例如低P L L 增益值優良暫態性能要求擾動/故障后限制通過換流器電流及快速恢復能否兼具動態響應快速、穩定裕度大和優良的暫態性能呢?1 4基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制(一)新解決方案一：附加頻率阻尼控制S F D C特征根分析法主導模態特征 參與因子法關鍵主電路/控制系統參數 附加阻尼法抑制/消除小信號失穩思路1 s1 0 9虛軸8 051 0 0增加A m u(從1 0 到1 5 0主導模態1 5 01 51 0實軸聯接弱交流電網的V S C 20、系統的小信號穩定性有較大影響：有功功率外環鎖相環控制1.0w0.80 p u參與因子0.6有功外環電壓外環0.40.20交流系統I P L L!V C C 控制1 5基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制(一)新解決方案一：附加頻率阻尼控制S F D C附加頻率阻尼控制(S u p p l e m e n t a r y F r e q u e n c y-b a s e d D a m p i n g C o n t r o l,S F D C)特點：1)附加阻尼提高穩定裕度；2)高P L L 增益系統仍然穩定；3)保留V C C 內環可以限制故障電流。鎖相環控制V n g=0W,21、dV a-十V gK o u+K sa b eWq十i v b-Z十d g o00 p lv?-十D kO附加頻率阻尼控制OV n a1/(1+s T m v g)V d m內環控制i a r o fP p外環控制I n a xP II z d mi d-P e r P IMI/(I+s T m i d)o Ll a r e f bP s-XI z?-1/(1+s T m i a)o Ll 2 q mi o bT m i nV r e r-P IP Il q r e rV-V a mV-1/(1+s T a w g)V c dVP L Lp uVd gVVa b c1 6基于小信號模型的V S22、 C 穩定性分析-改進控制(一)新解決方案一：附加頻率阻尼控制S F D C基于傳統交流發電機工作原理的物理解釋：有功外環的參考值P r e r 類比為發電機電磁功率；以P L L 輸出的角頻率(W)與額定角頻率(w n)的偏差量(w=W-W n)為功率調節特征量；引入的阻尼系數D k,生成阻尼分量P p k=D*w 反饋至有功功率外環V t a-V t b 一V t c-P L LS F D CO nW十0 p u lD kP pP r e r十P s新型附加頻率阻尼控制(S F D C)結構框圖V C CV c dV c q1 7基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制(一)新解決23、方案一：附加頻率阻尼控制S F D C(1)阻尼系數D 對V S C 系統小信號穩定性的影響基于含有S F D C 控制的V S C 系統小信號模型，調節阻尼系數D 在 0,2 的范圍內逐漸增大，V S C 系統的根軌跡如圖所示：3 0 0 0 1V S C 測試系統初始狀態：增加 D k 從0 到2.02 0 0 0極弱交流系統：S C R=1.0(K p p u=1 3 0,S C R=1.0)D x=0.3 4額定工況：v=1.0 p u、P=1.0 p uK p u=1 3 0(1 2 0 臨界穩定)、D k=0 羈1 0 0 00D k=1.7 7-1 0 0 0當D 0.3 4,124、.7 7 時，系統所有特征根都保持在左半平面，表明系統能夠穩定運行。-2 0 0 0-3 0 0 0-8 0-7 0-6 0-5 0-4 0-3 0-2 0-1 001 0實軸1 8基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制(一)新解決方案一：附加頻率阻尼控制S F D C(1)阻尼系數D k 對V S C 系統小信號穩定性的影響為驗證上述理論分析結果，在P S C A D 中進行如下仿真：初始狀態時，額定工況：S C R=1.0、P=1.0 p.u.、K p p L L=1 0t=0.5 s 時，K p p L L 由1 0 階躍至1 3 0t=3.0 s 時，投入D =0.8,V S25、 C 系統的功率響應如下圖：t=3.0 s 時，有1.0 0 2投入D A=0.8功t=0.5 s 時，功1.0 0 1K p e u 從1 0 階躍至1 3 0率P m 1.0 0 0/p u0.9 9 90.9 9 84.0 t/s00.51.01.52.02.53.03.5T)=0.0 5 5 sT=0.0 5 0 31.0 0 21.0 0 11.0 0 00.9 9 90.9 9 83.5 t/s2.02.53.01 9基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制(一)新解決方案一：附加頻率阻尼控制S F D C(2)阻尼系數D 的可行域研究當系統處于極弱交流系統S C R=1.26、0 時，逐漸增大P L L 增益K p p L L(從1 2 0 到1 8 0),阻尼系數D k 使V S C 系統穩定的可行域，結果如下：當K p l L=1 3 0 時，D 的可行域 0.3 4,1.7 7 當K p p L r=1 4 0 時，D k 的可行域 0.6 2,1.6 7 當K p p L L=1 8 0 時，D 的可行域 1.3 5 9,1.3 9 4 2.0 rM 1(1 3 0,1.4 7)1.8N i(1 4 0,1.6 7)1.6I 1(1 8 0,1.3 9 4Dk使系統穩定的區間1.41.21 2(1 8 0,1.3 5 91.00.80.6N 2(1 4 0,27、0.6 2)0.4M 2(1 3 0,0.3 4)0.201 2 01 3 01 4 01 5 01 6 01 7 01 8 0K p P L L2 0基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制(一)新解決方案一：附加頻率阻尼控制S F D C(3)阻尼系數D 對V S C 系統M A P 和S C R m.n 的影響當K p p l L=1 3 0,D 分別取0、0.1、0.2、0.3、0.4 和0.8 時，V S C 系統的最大傳輸功率M A P 隨S C R 的變化趨勢，結果如圖所示：1.2 01.1 51.1 01.0 5nd/dVW1.0 00.9 50.9 08B sB?B 28、sB?B:AA (1.0 6 3,1.0 0)B i(0 1.0 4 6,1.0 00.8 5B 2(1.0 2 9,1.0 00.8 0B 3(1.0 1 2,1.0 0B 4(0.9 9 4,1.0 0)0.7 5B S(0.9 6 9,1.0 00.7 00.9 60.9 811.0 21.0 41.0 61.0 8 1.1 01.1 21.1 4 1.1 6S C R1 098CSCR/%6N 54321M _ c s c k-F S c e-c 1 0 0%R(0.5,8.1 9%)(K p L L=1 3 0)M p k=0.50.20.40.60.81.0D k1.21.41.629、2 1基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制(一)新解決方案一：附加頻率阻尼控制S F D C(4)暫態特性：三相直接短路故障，持續時間1 0 個周波S C R=1.0,P=1.0 p u,v=1.0 p u;K p L L=1 3 0(1 2 0 臨界穩定),D=0.5,V S C 的傳輸功率、母線電壓和換流器出口交流電流結果如圖所示：1.4 01.2 01.0 00.8 00.6 00.4 00.2 00.0 0-0.2 0-0.4 0-0.6 00.0 0o A c t i v e p o w e r(p.u.)(b l u e c i r c k)0.1 00.2 0 0.330、 00.4 0a A C v o l t a g e o f P C C(p,u.)(g r e e n s q u a r e)0.5 0(s)0.6 0 0.7 0 0.8 00.9 01 0 0O i d(p.u.)O n q(p.u)h(p.u)(b l u e c i r c k)(g r e e n s q u a r e)(r e d t r i a n g u l a r)1.2 01.0 00.8 00.6 00.4 00.2 00.0 0-0.2 0-0.4 0-0.6 00.0 00.1 00.2 00.3 00.4 00,5 00.6 00.7 00.8 00 9 0131、.0 0(s)暫態性能驗證 極弱交流系統(S C R=1.0)、最嚴重三相故障下，可有效限制通過換流器電流，并具有良好的故障恢復性能2 2基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制(一)新解決方案一：附加頻率阻尼控制S F D C結 論 動態響應速度要求 控制系統增益可行域增加，例如較大的P L L 增益K p p L L 小信號穩定性要求 有效抑制或消除弱交流電網下由于P L L 增益過大而導致的V S C 系統失穩現象，最大傳輸功率增加，臨界穩定裕度增加 暫態性能要求極弱交流系統、最嚴重三相故障下限流和良好恢復性能2 3基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制(二)新解決方案32、二：頻率同步控制F S C頻率同步控制(F r e q u e n c y-b a s e d S y n c h r o n i z a t i o n C o n t r o l,F S C)特點：1)保留P L L 和V C C 控制外環，輸出限幅電流指令；2)有功電流內環控制模擬發電機動態過程；3)可徹底解決由于P L L 高增益引起的失穩現象；4)小擾動下可實現限流；5)嚴重故障下仍需控制切換實現限流。=-(A-C)=K 4-P=K _(=)P m=-K(-i eF S C(N o r m a lO 0DiC o n d i t i o n)D a m p i n g(j-a b e33、)(j=a,b e)C o m p e n e n t0.a b gI(I+s T m aP L Ld g1 a mP.I m tl a a rFK sEd e nPPIS y n c h r o n i z a t i u n1 A M E R L 00I a w e r C o u p o u e n lTVV i n rP Ii q i tEE ml q d nP I1(+s T)O U T K R 1 X X O PI m i a十i1(1+s T m i oK.阻尼系數K 同步系數l n n e r L o o p o f v C C(F a u l t C o n d i t i 34、o n)Vi m=0VP Iio Lio LP Ii a c-1 p uVV%P L LdKV2 4基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制(二)新解決方案二：頻率同步控制F S C(1)K a 和K,對P L L 增益可行域的影響初始狀態：S C R=1.0,阻抗角8 0,P=1.0 p u,v=1.0 p u4 0 03 5 0K-1 0 0K-5 0 0K-1 0 0 04 0 03 5 0K=1 0 0 0K a-2 0 0 0K d-4 0 0 03 0 0Tddy1 0 05 001 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 0 0K a1 0 1 5K 35、e u s e pK e u s e p f o mf r o m s t o 5 05 0 t o 5 0 0Active power(pa)1 04.01.00.9 9 50.9 9 0K=1 0 0 0 K=1 0 02 02.53 0T i m e(s)KpPLL3 0 01 0 05 002 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0LF S C 極大地提高了P L L 增益的可行域；極弱系統S C R=1.0,采用F S C 可以完全抑制由于P L L 高增益引起的小信號失穩現象。基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制(二)新解決方案二：頻率同步控制36、F S C(2)S C R 對K?和K?可行域的影響初始狀態：阻抗角8 0,P=1.0 p u,v=1.0 p u3.53.02.5kd/xio2.01 51 00.5K-5 0 0K?=1 0 0AK s=5 0EBF e a s i b l eR e g i o n(a)2.52.0k/x n1.51.00.5E圖AK x=8 0 0 0K a=4 0 0 0K a=1 0 0 0BF e a s i b l eR e g i o n(b)G1.01.11.21.31.41 51.6S C R1.71.81.92 01.0 1.11,21.31.41.5 1.6S C R1.71.81.937、 2.0S C R 增加，K a 和K,可行域一定程度地減小；但是，仍然有很大的可行區域用于參數選擇。極弱系統S C R 1.3,可以采用傳統的V C C 控制，并輔助以附加阻尼控制提高穩定性，如前述的S F D C。2 6基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制(二)新解決方案二：頻率同步控制F S C(3)F S C 對V S C 系統M A P 的影響K p p z z=1 0 0,K,=1 0 0,K=5 0 0 0(初始參數)P m 理論極限功率，“+”逆變模式，“-”整流模式P m*F S C 控制下考慮小信號穩定性后的功率極限值P E M r P S C A D 電磁暫態38、仿真功率極限值合云W1.51.5P e N r*1.47 0 d1.4Maximwn Real Power(pu)1.39 0Naximum Real Power(pu)1.3P E N T1.27 0 d e a r e c1.21.18 0 d e g r e d9 0 d e g r e d1.1阻抗角0.90.8P m a n d P m a x*0.70.9逆變模式0.6整流模式Pa n d P m a x0.80.9 0.9 51.0 5 1.1 1.1 5 1.2 1 2 5 1.3 1.3 5 1.40.510.9 0.9 51.0 51.11.1 51.2 1.2 51.3 39、1.3 51.41S C RS C RF S C 控制可以使V S C 在弱/極弱交流系統下傳輸理論極限功率 2 7基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制(二)新解決方案二：頻率同步控制F S C(4)暫態特性-系統頻率變化初始狀態：S C R=1,阻抗角=9 0,V=1.0 p u,P=1.0 p u1 s 時系統頻率從5 0 H z 變化到4 9.9 H z,2 s 恢復到5 0 H z5 0 1 05 0.0 5(2 H5 0.0 0hximnley4 9 9 54 2.9 04 9.8 34 9,8 0f r o q p e n c y(0 2 x)f a m P L L O40、 H z)f r o q p e u c y(j/2*)f h o m i r m c r l o o p(a)l g r c e n c i r c l e)(r e d s g a r e)0.0 00.5 01.0 01.5 02.0 02.5 03.0 0(s)i n t e g a t e d f i n c t i o nd a n p i n g c o n p e o e n ty n h r o n i z a t i o n p o e(o)(g r e n c a n c l eO h e s q u r e)c o n p o n e a t (r n d t r u 41、n g a l a r)6.04.02.00.02 04.0-6.00.0 00.3 01 0 01.5 02 5 03.0 02.0 0)1.0 3 0官1 0 2 0Itage and power1 0 1 01.0 0 00.9 9 00.9 8 0A c t i v e p o w e r(p u)(b l u e a r v e)A C v o l t a g e o f P C C(p u)(b)(g r e e n c u r v e)0.0 00.3 01.0 01.3 0s)2.0 02.3 03.0 0F S C 可以快速跟蹤頻率變化；頻率變化時具備良好暫態特性；頻率變化時42、，阻尼分量和同步分量作用方向相反，最終使得頻率穩定跟隨。基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制(二)新解決方案二：頻率同步控制F S C(5)暫態特性-系統負荷變化初始狀態：S C R=1,V=1.01.4 2 51.1 0 0交蒲電流1.0 7 5p u,P=1.0 p u,1.0 5 0aP m e-1.0 5 p u口1.0 2 5換流器允許通過的最大電P e 1.1 0 p uP e-1 1 5 p u1.0 0 0,2.7 33.0 03.2 53 03.3 03.7 54.0 04.2 54 3 0流設為I m a=1.1 p.u.。有功功率t/s(a)1.1 2 01.43、1 0 0負荷在3 s 時由1.0 0 p.u.分別增加到有功功率P,/pu1.0 8 01.0 6 01.0 4 01.0 2 01.0 5 p.u.P e 1 0 5 p u1.0 0 0B e 1.1 0 p uc 1 3 s p o0.9 8 01.1 0 p.u.2.7 55 03 b o3 2 53.5 03.7 54 0 o4.2 54.5 0t/s(b)1.1 5 p.u.1.0 4 0交流電壓npu1.0 2 0ua8負荷變化時，F S C 可以有效限制通過換流器電流，從而保護換流器。1.0 0 00.9 8 0P e 1 0 5 p u口R c 1 1 0 p u0.9 644、 0B c 1 3 s p n2.5 02.7 53.0 03.2 53.3 03.7 54.0 04.2 54.5 0t/s(c)2 9基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制(二)新解決方案二：頻率同步控制F S C(6)暫態特性：三相直接短路故障，持續時間1 0 個周波S C R=1.0,=8 0,P=1.0 p u,v=1.0 p uV S C 的傳輸功率、母線電壓和換流器出口交流電流結果如圖所示1.2 51.0 00.7 50.5 00.2 50.0 0-0.2 5-0.5 0-0.7 5t a(p u)(b l u e c i r c l e)g m gi?a p u)(g45、 r e e n s q u a r e)A nI?(p u)(r e d t r i a n g u l a r)(a)0.0 00.1 00.2 00.3 00.4 0(s)0.5 00.6 00.7 00.8 01.2 01.0 00.8 00.6 00.4 00.2 00.0 0-0.2 0-0.4 0A c t i v e p o w e r(p u)(b l u e c i r c l e)A C v o l t a g e o f P C C(p u)(g r e e n s q u a r e)(b)0.0 00 1 00.2 00.3 00.4 00.5 0K s)0,6 046、0.7 00,8 0暫態性能驗證 極弱交流系統(S C R=1.0)、最嚴重三相故障下通過控制切換可有效限制通過換流器電流，具有良好故障恢復性能(故障消除后0.1 s 恢復到9 0?率)。o基于小信號模型的V S C 穩定性分析-改進控制(二)新解決方案二：頻率同步控制F S C結 論 動態響應速度要求控制系統增益可行域增加，例如較大的P L L 增益K p p L L 小信號穩定性要求 消除了弱交流電網下由于P L L 增益過大而導致的V S C 系統失穩現象，傳輸功率可達到理論極限功率，臨界穩定裕度增加暫態性能要求 極弱交流系統下(S C R=1),頻率變化、負荷變化時可限流，暫態性能良好47、；嚴重故障下需切換到V C C 內環實現限流保護功能，且可快速實現故障恢復。3 1目錄北電力大學華N O R T H C H DR S i T Y小信號建模的必要性基于小信號模型的V S C 穩定性分析基于小信號模型的M M C 穩定性分析3 2基于小信號模型的M M C 穩定性分析M M C 詳細動態模型建立的必要性M M C 的詳細動態模型 1 1 M M C 內部諧波穩定性分析 1 1 主控制器參數對諧波穩定性的影響環流抑制策略對諧波穩定性的影響橋臂電阻對諧波穩定性的影響 1 T.L I,A.M.G o l e a n d C h e n g y o n g Z h a o,H a r 48、m o n i c I n s t a b i l i t y i n M o d u l a r M u l t i l e v e l C o n v e r t e r s r e s u l t i n g f r o m I n t e r n a lC o n v e r t e r D y n a m i c s,I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r D e l i v e r y,2 0 1 6,3 1(4),p p:1 7 3 8-1 7 4 7.3 3M M C 詳細動態模型建立的必要性存在問題：基于平均值模型來描述M 49、M C 的動態特性，忽略了子模塊電容電壓波動、內部環流、環流抑制控制器等動態行為，在研究M M C 系統的行為特征(例如，穩定性)時會出現很大誤差。案例：基于平均值和詳細動態模型在同樣功率階躍下的特性對比。0.63 2 00.40.23 1 5Q/Mvar0 4PMW3 1 0-0.2-0.43 0 5-0.63 0 0-0.8-12 9 50.0 20 0.0 2 0.0 4 0.0 6 0.0 8 0.1 0.1 2 0.1 4 0.1 600.0 40.0 60.0 80.1簡化小信號模型t/st s詳細小信號模型(a)有功功率(b)無功功率E M T 仿真摸型結論：忽略換流器內部動態特50、性后(即平均值模型)獲得的系統動態響應存在很大誤差。3 4M M C 的詳細動態模型詳細動態模型特點：考慮了換流器內部動態特性子模塊電容電壓波動換流器M M C 換流器內部動態特性模型二倍頻環流接口模型環流抑制控制d-q 解耦主控制器系統控制系鎖相環統模型諧波穩定性：由于M M C 內部諧波模態引起的系統穩定性問題 1 測量系統主電路交流系統模型 1 T.L I,A.M.G o l e a n d C h e n g y o n g Z h a o,H a r m o n i c I n s t a b i l i t y i n M o d u l a r M u l t i l e v e51、 l C o n v e r t e r s r e s u l t i n g f r o m I n t e n gC o n v e r t e r D y n a m i c s,I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r D e l i v e r y,2 0 1 6,3 1(4),p p:1 7 3 8-1 7 4 7.M M C 的詳細動態模型(續)子模塊電容電壓波動的動態描述橋臂電流的動態描述c d i=A c+4+4+4基頻 二倍頻 三倍頻橋臂電流主要含直流、基頻和二倍頻成分研究橋臂直流電流和交流電流的動態特性二倍頻環流的動態描52、述對稱情況二倍頻環流不流入交流和直流側會增加橋臂電流的有效值，從而增大換流器損耗，且影響電容電壓的平衡控制二倍頻環流抑制策略d-q 解耦環流控制器(附加二倍頻分量)P R 控制器(對交流分量實現無靜差)硬件濾波(L-C 并聯諧振)3 6M M C 的詳細動態模型(續)其它環節的動態模型控制系統的測量環節不能忽略交/直流系統需根據研究對象合理簡化等值發電機模型(勵磁、調速特性等)交流系統戴維南等值模型的適用性交/直流線路等值模型的適用性濾波器不能簡化為等值電容建模等鎖相環P L L 動態特性不能忽略3 7M M C 的詳細動態模型(續)M M C 詳細動態模型驗證2 0 1 電平M M C 驗證53、工況：(a)交流電壓階躍(b)有功功率階躍結論：所建立的模型與P S C A D 中2 0 1 電平詳細電磁暫態結果完美匹配；所考慮的內部諧波成分足以描述對稱情況下M M C 的動態行為特征。3 0 23 3 0P S C A DP S C A DM A T L A BM A T L A B3 2 0P,/MWMN/d3 0 03 1 03 0 02 9 82 9 02.533.54.52.5433.544.5時間時間1 6 7P S C A DP S C A DM A T L A B1 6 7M A T L A EHno/kV1 6 61 6 S1 5 72.533.544.52.533.554、44.5時闖時間2.02.0P S C A DP S C A D1.9M A T L A B1.9M A T L A B1.81.8期/kV1.71 71.6明1.61.51,51.41.41.31.32 52.533.5433.54.544.5時間時間(a)(b)3 8M M C 內部諧波穩定性的分析(1)主控制器參數對諧波穩定性的影響1 0 0 01 0 0 05 0 05 0 0功率增加k p i00增加k虛軸外環-5 0 0-5 0 0-1 0 0 0-1 0 0 0-2 0-1 5-1 0-505-2 0-1 5-1 0-50實軸實軸(a)0.0 0 0 2 k i 0.1(b)0.55、1 k a 1 01 0 0 01 0 0 05 0 05 0 0電流虛軸增加k p?增加k?00內環-5 0 0-5 0 0k 2-8 0 0 0-1 0 0 0-1 0 0 0-1 5-1 0-50-2 0-1 5-1 0-50實軸實軸(c)5 0 k p?8 0 0(d)2 0 0 0 k?2 0 0 0內部諧波模態受主控制器影響較大，隨主控制器增益增大而趨向于不穩定3 9M M C 內部諧波穩定性的分析(2)環流抑制控制器對諧波穩定性的影響-(d-q 解耦環流控制器)8 0 04 0 00虛軸.4 0 0-8 0 0增加k p c中-8 0-6 0-4 0-2 0實軸(a)1 0 k 56、p a 2 0 001 0 0 05 0 00-5 0 0-1 0 0 0下增加k c i-4 0-3 0-2 0-1 0虛軸(b)1 0 0 k k i 1 0 0 00 隨著環流抑制控制器比例增益增加，模態向右半平面移動，即穩定性相對減弱；積分增益有相反的效果。通過合理選擇環流抑制控制器的參數可以有效改善內部諧波模態的阻尼比，提高穩定性。4 0M M C 內部諧波穩定性的分析(3)橋臂電阻對諧波穩定性的影響1 5 0 01 0 0 01 0 0 05 0 05 0 0器。0增加R.增加 R.-5 0 0-5 0 0-1 0 0 0-1 0 0 0-1 5 0 0-2 0-1 6-1 2-857、-40-2 0-1 6-1 2-8-40實軸實軸(b)方案b 硬件濾波器抑制環流(a)方案a 無環流抑制1 5 0 01 0 0 01 0 0 05 0 05 0 0虛轉0增加 R u m0增加 R m-5 0 0-5 0 0 F-1 0 0 0-1 0 0 0-1 5 0 0-2 5-2 0-1 5-1 0-50-5 0-4 0-3 0-2 01 00實軸實軸(c)方案e d-q 解耦環流抑制器(d)方案d P R 控制器抑制環流 橋臂電阻增加會從一定程度上提高系統阻尼比，然而會增加損耗；可通過在橋臂參考波生成時增加“虛擬電阻”環節提高阻尼比1 1 2。1 2 苑賓，許建中，趙成勇，何智鵬.利用虛擬電阻提高接入弱交流電網的M M C 小信號穩定性控制方法 J .中國電機程學報，2 0 1 5,(1 5):3 7 9 4-3 8 0 2.謝謝!請各位專家批評指正!