1、华北电力大学N O R T HR S I T Y柔性直流输电系统的小信号动态模型和稳定性分析1目录华北电力大学N O R T H C H DR S I T YT R柔直小信号稳定性分析的必要性基于小信号模型的V S C 稳定性分析基于小信号模型的M M C 稳定性分析柔性直流输电技术应用的必然性可再生能源的规模化开发利用，迫切需要柔性化输电技术传统传统柔性交流直流直流分布式电源和主动负荷的行为特征，亟待加强配网的调控能力输电输电输电大型城市电网负荷快速增长与输电走廊紧缺、短路电流超标的矛盾迫切需要新的供电技术柔性直流输电前景广阔截止2 0 1 6 年末全国发电装机总容量1 6 5 0 G W12、.9 5%7.0 5%1.4 6%火电水电核电*并网风电2 2,2 0%6 7.3 4%并网太阳能5柔性直流输电的标志性工程投运时间1 9 9 7工程名称瑞典H a l l s j n拓扑 直流电压 容量结构(k V)(M W)两电平 1 032主要用途试验工程2 0 0 0 澳大利亚D i r e c t l i n k 两电平 8 01 8 02风电并网电力交易2 0 0 2澳大利亚M u r r a y L i n k三电平 2 5 02 0 02系统互联电压支撑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输电示范工程4 0 02 0 02 城市中心供电3 海上风电互联舟山多端柔性直流2 0 1 4M M C输电重大示范工程2 0 04 0 05 岛屿电网互联厦门柔性直流输电2 0 1 5M M C3 2 0科技示范工程1 0 0 02 城市中心供电M M C-2 0 1 6 云南-广西异步联网3 5 0L C C1 0 0 02异步联网计划渝鄂直流背靠背M M C4 2 0 4*1 2 5 0 2异步联网2 0 1 8联网工程计划新能源向特大张北直流电网工程 M M C 5 0 03 0 0 042 0 1 8城市供电计划 乌东4、德特高压输电M M C8 0 08 0 0 0西电东送32 0 2 0工程拓扑结构两电平三电平多电平直流电压(k V)1 0 2 0 0 3 2 0 5 0 0 8 0 0额定容量(M W)3 4 0 0 1 0 0 0 3 0 0 0 8 0 0 0端数2 3 5 直流电网换流器组合单一柔直M M C/L C C 混合整体趋势：高电压大容量结构复杂化柔性直流输电已经并将长期在电网中发挥关键作用6柔性直流输电的稳定运行是电网的重大需求柔性直流输电已经并将长期在电力系统中发挥关键作用特点：高电压、大容量、复杂结构、多端、直流电网场合：新能源联网、城市供电、电网互联、多类型电源和负荷的接入柔性直流5、输电在交直流混联电网中稳定性研究的难点强非线性：超大规模电力电子器件的时变开关特征强耦合性：交直流混联、L C C/V S C 共存、发电设备类型多样强复杂性：网络巨大、结构复杂、运行方式多变、小/大扰动性质多样复杂问题认识关键难点剥离逐一击破7柔性直流输电的稳定运行是电网的重大需求(续)复杂问题认识关键难点剥离逐一击破 柔直是区别与传统电网的新元素之一，因此探讨柔直自身行为特征及与外部系统的交互作用，可作为新一代电网稳定性研究的关键基础之一。小信号稳定性分析1)可为系统设计和参数选择提供指导；2)可揭示弱阻尼或不稳定模态及主导因素；3)可为大扰动发生前系统的稳定裕度提供参考；4)可提供提高稳6、定性的思路/方法。因此，探究柔直的小信号稳定性具有学术研究和工程指导价值。模型是基础方法是关键本质是目标柔直小信号动态模型经典特征根分析法弱阻尼或不稳定模态特征提出抑制小信号失稳现象的措施柔性直流输电系统的小信号动态模型和稳定性分析8目录北电力大学华N O R T H C H NR S i T Y小信号建模的必要性基于小信号模型的V S C 稳定性分析基于小信号模型的M M C 稳定性分析9基于小信号模型的V S C 稳定性分析研究背景：弱交流电网下V S C 系统的小信号稳定性 场景一：规模化风电/太阳能仅通过柔直并网 场景二：柔直向孤岛或弱系统供电场景三：柔直接入传统多馈入直流的交流网络存7、在问题：电流矢量控制(V C C)具有控制速度快、有功无功解耦控制、故障后快速限流特性等，得到广泛采用；V C C 控制采用d q 坐标系电气量，P L L 为其提供d q 变换基准；弱系统下P L L 和V C C 控制(尤其是电压/无功控制环)的紧密耦合特性，使系统在高P L L 增益下易引起小信号失稳现象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基于小信号模型的V S C 稳定性分析-续目前解决思路及存在问题方案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 存在问题：正常工作时无P L L,故障后需要切换到传统V C C 控制限制流过换流器的电流方案2:基于V C C 控制的增益自动调节方法(g a i n-s c h e d u l i n g )3 存在问题：不同运行点需要自动调节控制器参数方案3:基于V C C 控制的虚拟阻抗4 或虚拟母线方法 5 存在问题：严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基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制新解决方案出发点1)可有效改善弱系统下V14、 S C 系统的稳定性；2)需具备限流功能。频率同步控制 6-8 电流矢量控制外环+类发电机控制内环两种新方案附加频率阻尼控制 9,1 0 P L L 频率信息+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 郭春义，宁琳如，刘炜，赵成勇，刘栋，基于频率同步控制的V S C-H V D C 在弱交流系统下的动态特性研究 J .中国电机工程学报2 0 1 7,3 7(1 5):4 3 4 4-4 3 5 4.8 郭春义，刘炜，赵成勇.一种适用于V S C-H V D C 联接极弱交流电网的功率阻尼同步控制方法.中国发明专利，2 0 1 5 1 0 8 3 9 6 116、 9.6,已公开 9 王烨，宁琳如，赵成勇，郭春义.V S C-H V D C 联接弱交流系统下的新型附加频率阻尼控制方法.中国电机工程学报(已录用)1 2 1 0 赵成勇，王烨，郭春义，宁琳如，刘栋.新型附加频率阻尼控制方法.中国发明专利：2 0 1 7 1 0 5 7 4 5 4 9 5,已受理，基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制弱交流电网下P L L 对V S C 系统小信号稳定性的影响V n6 4P L LP,Q?初始运行状态：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;逆变运行，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虚轴s 00增加K p u(从1 0 到1 5 0=1主导模态5 0-1 0 04 5 0 L-1 5-1 0-5实轴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基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制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矛盾体：动态响应速度、小信号稳定19、裕度、暂态性能动态响应速度要求高控制系统增益，例如较大的P L L 增益K p p u L 小信号稳定性要求控制系统增益不能过大，例如低P L L 增益值优良暂态性能要求扰动/故障后限制通过换流器电流及快速恢复能否兼具动态响应快速、稳定裕度大和优良的暂态性能呢?1 4基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制(一)新解决方案一：附加频率阻尼控制S F D C特征根分析法主导模态特征 参与因子法关键主电路/控制系统参数 附加阻尼法抑制/消除小信号失稳思路1 s1 0 9虚轴8 051 0 0增加A m u(从1 0 到1 5 0主导模态1 5 01 51 0实轴联接弱交流电网的V S C 20、系统的小信号稳定性有较大影响：有功功率外环锁相环控制1.0w0.80 p u参与因子0.6有功外环电压外环0.40.20交流系统I P L L!V C C 控制1 5基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制(一)新解决方案一：附加频率阻尼控制S F D C附加频率阻尼控制(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)特点：1)附加阻尼提高稳定裕度；2)高P L L 增益系统仍然稳定；3)保留V C C 内环可以限制故障电流。锁相环控制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附加频率阻尼控制OV n a1/(1+s T m v g)V d m内环控制i a r o fP p外环控制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基于小信号模型的V S22、 C 稳定性分析-改进控制(一)新解决方案一：附加频率阻尼控制S F D C基于传统交流发电机工作原理的物理解释：有功外环的参考值P r e r 类比为发电机电磁功率；以P L L 输出的角频率(W)与额定角频率(w n)的偏差量(w=W-W n)为功率调节特征量；引入的阻尼系数D k,生成阻尼分量P p k=D*w 反馈至有功功率外环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新型附加频率阻尼控制(S F D C)结构框图V C CV c dV c q1 7基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制(一)新解决23、方案一：附加频率阻尼控制S F D C(1)阻尼系数D 对V S C 系统小信号稳定性的影响基于含有S F D C 控制的V S C 系统小信号模型，调节阻尼系数D 在 0,2 的范围内逐渐增大，V S C 系统的根轨迹如图所示：3 0 0 0 1V S C 测试系统初始状态：增加 D k 从0 到2.02 0 0 0极弱交流系统：S C R=1.0(K p p u=1 3 0,S C R=1.0)D x=0.3 4额定工况：v=1.0 p u、P=1.0 p uK p u=1 3 0(1 2 0 临界稳定)、D k=0 羁1 0 0 00D k=1.7 7-1 0 0 0当D 0.3 4,124、.7 7 时，系统所有特征根都保持在左半平面，表明系统能够稳定运行。-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实轴1 8基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制(一)新解决方案一：附加频率阻尼控制S F D C(1)阻尼系数D k 对V S C 系统小信号稳定性的影响为验证上述理论分析结果，在P S C A D 中进行如下仿真：初始状态时，额定工况：S C R=1.0、P=1.0 p.u.、K p p L L=1 0t=0.5 s 时，K p p L L 由1 0 阶跃至1 3 0t=3.0 s 时，投入D =0.8,V S25、 C 系统的功率响应如下图：t=3.0 s 时，有1.0 0 2投入D A=0.8功t=0.5 s 时，功1.0 0 1K p e u 从1 0 阶跃至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基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制(一)新解决方案一：附加频率阻尼控制S F D C(2)阻尼系数D 的可行域研究当系统处于极弱交流系统S C R=1.26、0 时，逐渐增大P L L 增益K p p L L(从1 2 0 到1 8 0),阻尼系数D k 使V S C 系统稳定的可行域，结果如下：当K p l L=1 3 0 时，D 的可行域 0.3 4,1.7 7 当K p p L r=1 4 0 时，D k 的可行域 0.6 2,1.6 7 当K p p L L=1 8 0 时，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使系统稳定的区间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基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制(一)新解决方案一：附加频率阻尼控制S F D C(3)阻尼系数D 对V S C 系统M A P 和S C R m.n 的影响当K p p l L=1 3 0,D 分别取0、0.1、0.2、0.3、0.4 和0.8 时，V S C 系统的最大传输功率M A P 随S C R 的变化趋势，结果如图所示：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基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制(一)新解决方案一：附加频率阻尼控制S F D C(4)暂态特性：三相直接短路故障，持续时间1 0 个周波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 临界稳定),D=0.5,V S C 的传输功率、母线电压和换流器出口交流电流结果如图所示：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)暂态性能验证 极弱交流系统(S C R=1.0)、最严重三相故障下，可有效限制通过换流器电流，并具有良好的故障恢复性能2 2基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制(一)新解决方案一：附加频率阻尼控制S F D C结 论 动态响应速度要求 控制系统增益可行域增加，例如较大的P L L 增益K p p L L 小信号稳定性要求 有效抑制或消除弱交流电网下由于P L L 增益过大而导致的V S C 系统失稳现象，最大传输功率增加，临界稳定裕度增加 暂态性能要求极弱交流系统、最严重三相故障下限流和良好恢复性能2 3基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制(二)新解决方案32、二：频率同步控制F S C频率同步控制(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)特点：1)保留P L L 和V C C 控制外环，输出限幅电流指令；2)有功电流内环控制模拟发电机动态过程；3)可彻底解决由于P L L 高增益引起的失稳现象；4)小扰动下可实现限流；5)严重故障下仍需控制切换实现限流。=-(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.阻尼系数K 同步系数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基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制(二)新解决方案二：频率同步控制F S C(1)K a 和K,对P L L 增益可行域的影响初始状态：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 极大地提高了P L L 增益的可行域；极弱系统S C R=1.0,采用F S C 可以完全抑制由于P L L 高增益引起的小信号失稳现象。基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制(二)新解决方案二：频率同步控制36、F S C(2)S C R 对K?和K?可行域的影响初始状态：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图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,可行域一定程度地减小；但是，仍然有很大的可行区域用于参数选择。极弱系统S C R 1.3,可以采用传统的V C C 控制，并辅助以附加阻尼控制提高稳定性，如前述的S F D C。2 6基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制(二)新解决方案二：频率同步控制F S C(3)F S C 对V S C 系统M A P 的影响K p p z z=1 0 0,K,=1 0 0,K=5 0 0 0(初始参数)P m 理论极限功率，“+”逆变模式，“-”整流模式P m*F S C 控制下考虑小信号稳定性后的功率极限值P E M r P S C A D 电磁暂态38、仿真功率极限值合云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逆变模式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/极弱交流系统下传输理论极限功率 2 7基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制(二)新解决方案二：频率同步控制F S C(4)暂态特性-系统频率变化初始状态：S C R=1,阻抗角=9 0,V=1.0 p u,P=1.0 p u1 s 时系统频率从5 0 H z 变化到4 9.9 H z,2 s 恢复到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 可以快速跟踪频率变化；频率变化时具备良好暂态特性；频率变化时42、，阻尼分量和同步分量作用方向相反，最终使得频率稳定跟随。基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制(二)新解决方案二：频率同步控制F S C(5)暂态特性-系统负荷变化初始状态：S C R=1,V=1.01.4 2 51.1 0 0交蒲电流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换流器允许通过的最大电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流设为I m a=1.1 p.u.。有功功率t/s(a)1.1 2 01.43、1 0 0负荷在3 s 时由1.0 0 p.u.分别增加到有功功率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交流电压npu1.0 2 0ua8负荷变化时，F S C 可以有效限制通过换流器电流，从而保护换流器。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基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制(二)新解决方案二：频率同步控制F S C(6)暂态特性：三相直接短路故障，持续时间1 0 个周波S C R=1.0,=8 0,P=1.0 p u,v=1.0 p uV S C 的传输功率、母线电压和换流器出口交流电流结果如图所示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暂态性能验证 极弱交流系统(S C R=1.0)、最严重三相故障下通过控制切换可有效限制通过换流器电流，具有良好故障恢复性能(故障消除后0.1 s 恢复到9 0?率)。o基于小信号模型的V S C 稳定性分析-改进控制(二)新解决方案二：频率同步控制F S C结 论 动态响应速度要求控制系统增益可行域增加，例如较大的P L L 增益K p p L L 小信号稳定性要求 消除了弱交流电网下由于P L L 增益过大而导致的V S C 系统失稳现象，传输功率可达到理论极限功率，临界稳定裕度增加暂态性能要求 极弱交流系统下(S C R=1),频率变化、负荷变化时可限流，暂态性能良好47、；严重故障下需切换到V C C 内环实现限流保护功能，且可快速实现故障恢复。3 1目录北电力大学华N O R T H C H DR S i T Y小信号建模的必要性基于小信号模型的V S C 稳定性分析基于小信号模型的M M C 稳定性分析3 2基于小信号模型的M M C 稳定性分析M M C 详细动态模型建立的必要性M M C 的详细动态模型 1 1 M M C 内部谐波稳定性分析 1 1 主控制器参数对谐波稳定性的影响环流抑制策略对谐波稳定性的影响桥臂电阻对谐波稳定性的影响 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 详细动态模型建立的必要性存在问题：基于平均值模型来描述M 49、M C 的动态特性，忽略了子模块电容电压波动、内部环流、环流抑制控制器等动态行为，在研究M M C 系统的行为特征(例如，稳定性)时会出现很大误差。案例：基于平均值和详细动态模型在同样功率阶跃下的特性对比。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简化小信号模型t/st s详细小信号模型(a)有功功率(b)无功功率E M T 仿真摸型结论：忽略换流器内部动态特50、性后(即平均值模型)获得的系统动态响应存在很大误差。3 4M M C 的详细动态模型详细动态模型特点：考虑了换流器内部动态特性子模块电容电压波动换流器M M C 换流器内部动态特性模型二倍频环流接口模型环流抑制控制d-q 解耦主控制器系统控制系锁相环统模型谐波稳定性：由于M M C 内部谐波模态引起的系统稳定性问题 1 测量系统主电路交流系统模型 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 的详细动态模型(续)子模块电容电压波动的动态描述桥臂电流的动态描述c d i=A c+4+4+4基频 二倍频 三倍频桥臂电流主要含直流、基频和二倍频成分研究桥臂直流电流和交流电流的动态特性二倍频环流的动态描52、述对称情况二倍频环流不流入交流和直流侧会增加桥臂电流的有效值，从而增大换流器损耗，且影响电容电压的平衡控制二倍频环流抑制策略d-q 解耦环流控制器(附加二倍频分量)P R 控制器(对交流分量实现无静差)硬件滤波(L-C 并联谐振)3 6M M C 的详细动态模型(续)其它环节的动态模型控制系统的测量环节不能忽略交/直流系统需根据研究对象合理简化等值发电机模型(励磁、调速特性等)交流系统戴维南等值模型的适用性交/直流线路等值模型的适用性滤波器不能简化为等值电容建模等锁相环P L L 动态特性不能忽略3 7M M C 的详细动态模型(续)M M C 详细动态模型验证2 0 1 电平M M C 验证53、工况：(a)交流电压阶跃(b)有功功率阶跃结论：所建立的模型与P S C A D 中2 0 1 电平详细电磁暂态结果完美匹配；所考虑的内部谐波成分足以描述对称情况下M M C 的动态行为特征。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时间时间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时闯时间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时间时间(a)(b)3 8M M C 内部谐波稳定性的分析(1)主控制器参数对谐波稳定性的影响1 0 0 01 0 0 05 0 05 0 0功率增加k p i00增加k虚轴外环-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实轴实轴(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电流虚轴增加k p?增加k?00内环-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实轴实轴(c)5 0 k p?8 0 0(d)2 0 0 0 k?2 0 0 0内部谐波模态受主控制器影响较大，随主控制器增益增大而趋向于不稳定3 9M M C 内部谐波稳定性的分析(2)环流抑制控制器对谐波稳定性的影响-(d-q 解耦环流控制器)8 0 04 0 00虚轴.4 0 0-8 0 0增加k p c中-8 0-6 0-4 0-2 0实轴(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虚轴(b)1 0 0 k k i 1 0 0 00 随着环流抑制控制器比例增益增加，模态向右半平面移动，即稳定性相对减弱；积分增益有相反的效果。通过合理选择环流抑制控制器的参数可以有效改善内部谐波模态的阻尼比，提高稳定性。4 0M M C 内部谐波稳定性的分析(3)桥臂电阻对谐波稳定性的影响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实轴实轴(b)方案b 硬件滤波器抑制环流(a)方案a 无环流抑制1 5 0 01 0 0 01 0 0 05 0 05 0 0虚转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实轴实轴(c)方案e d-q 解耦环流抑制器(d)方案d P R 控制器抑制环流 桥臂电阻增加会从一定程度上提高系统阻尼比，然而会增加损耗；可通过在桥臂参考波生成时增加“虚拟电阻”环节提高阻尼比1 1 2。1 2 苑宾，许建中，赵成勇，何智鹏.利用虚拟电阻提高接入弱交流电网的M M C 小信号稳定性控制方法 J .中国电机程学报，2 0 1 5,(1 5):3 7 9 4-3 8 0 2.谢谢!请各位专家批评指正!