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高压直流电源基于RHP零点限制的VSC-HVDC不同控制回路稳定性及交互作用机理分析

电压源换流器型高压直流电源输电(VSC-HVDC)系统目前已广泛应用于远距离大容量输电、跨区域电网异步互联、大规模新能源集中送出等领域。由于VSC控制系统包含多个不同的控制回路,例如以定有功–定无功控制模式的VSC换流站为例,其控制系统包含有功功率控制回路、无功功率控制回路、d轴/q轴内环电流控制回路以及锁相环,不同控制回路紧密耦合在一起构成一复杂的高阶动态数学模型。针对VSC换流站不同控制回路自身稳定性的变化规律,以及不同控制回路间的交互作用机理有待深入研究揭示。

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论文所解决的问题及意义 

本文推导了VSC-HVDC系统在频域下的多输入–多输出传递函数矩阵模型,通过分析逆变及整流工作模式下VSC不同控制回路被控对象传递函数的右半平面(RHP)零点的分布规律,分析研究RHP零点对VSC不同控制回路自身稳定性的影响;在此基础之上,基于单通道分析设计方法,分析评估了逆变及整流工作模式下VSC不同控制回路之间交互作用的强度,并对比分析不同控制回路间交互作用对VSC-HVDC系统稳定性的影响。所得研究成果可以为VSC-HVDC系统的控制参数设计与选取提供理论指导。

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论文重点内容  

定义PLL与有功控制回路的交互因子φ1,根据不同PLL控制带宽下交互因子φ1的Nyquist曲线评估逆变及整流模式下PLL与定有功控制回路之间的交互作用强度,如图1所示。


高压直流电源基于RHP零点限制的VSC-HVDC不同控制回路稳定性及交互作用机理分析

图1  不同PLL带宽下交互因子φ1的Nyquist图


根据图1可知,逆变模式下,随着PLL带宽的增大,交互因子φ1的Nyquist曲线幅值逐渐增大,即PLL与有功控制回路之间的交互作用逐渐增强;而整流模式下,增大PLL带宽,φ1的Nyquist曲线幅值逐渐减小,意味着相应控制回路之间的交互作用也对应削弱。体现在PLL独立控制回路与考虑PLL交互的有功控制回路闭环极点上,逆变及整流模式下闭环极点随PLL控制带宽变化趋势如图2所示。


高压直流电源基于RHP零点限制的VSC-HVDC不同控制回路稳定性及交互作用机理分析

图2  不同PLL带宽下GnPLL和GnP2极点最大实部


由图2可知,逆变模式下由于PLL存在RHP零点,增大控制器带宽将导致PLL失稳,进而通过PLL的交互作用,导致有功控制回路失稳;而在整流模式下,由于PLL不存在RHP零点,增大控制带宽PLL稳定,根据图1可知PLL与有功控制回路之间交互作用逐渐减弱,因此增大PLL带宽对有功控制回路稳定性影响很小,控制系统稳定。


相同分析方法,分析无功控制回路与有功控制回路的交互作用,不同无功控制器增益下两者的交互因子φ2的Nyquist曲线如图3所示。对应的无功独立控制回路与考虑无功控制交互的有功控制回路闭环极点变化轨迹如图4所示。


高压直流电源基于RHP零点限制的VSC-HVDC不同控制回路稳定性及交互作用机理分析

图3  不同无功控制器增益下交互因子φ2的Nyquist图


高压直流电源基于RHP零点限制的VSC-HVDC不同控制回路稳定性及交互作用机理分析

图4  不同无功控制器增益下GnQ1和GnP3极点最大实部


根据图3可知,逆变和整流模式下,随着无功控制器增益的增加,φ2的幅值逐渐增大,意味着有功控制回路与无功控制回路间的交互作用相应增强;但相同无功控制器增益下,整流模式下增强无功控制器增益对有功控制回路的交互作用影响较弱。反映在图4中,逆变模式下,由于无功独立控制回路存在RHP零点,增大无功控制器增益将导致无功独立控制回路而失稳,并通过与有功控制回路的交互,最终导致系统失稳;而在整流模式下,由于无功控制回路不存在RHP零点,其对有功控制回路的交互作用较逆变模式下较小,增大无功控制器增益对系统稳定性影响很小。

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结论

本文推导建立了VSC-HVDC频域下的多输入-多输出传递函数矩阵模型,通过分析VSC整流或逆变模下不同控制回路被控对象RHP零点的分布规律,分析了由RHP零点限制对VSC不同控制回路自身稳定性的影响,评估了VSC在逆变和整流工作模式下不同控制回路之间的交互作用强度及其对控制系统稳定性的影响,得到以下结论:


1)整流(逆变)模式下,有功(无功)独立控制回路存在RHP零点,导致控制系统的带宽受限,增大有功(无功)控制器增益将导致其高增益失稳;而逆变(整流)模式下不存在RHP零点,系统具有更高的稳定裕度;


2)逆变模式下,PLL独立控制回路的RHP零点分布与内环电流控制器参数有关,当内环电流控制器带宽一定的前提下,弱交流工况下提升VSC输出功率易导致RHP零点的出现,从而限制PLL的性能;而在整流模式下不存在RHP零点,具有更高的稳定裕度;


3)由于PLL和无功独立控制回路在逆变模式下受RHP零点限制,在相同条件下PLL(无功控制回路)与有功控制回路的交互作用相较整流模式下更强,过高的控制器带宽将导致PLL或无功独立控制回路失稳,并通过不同控制回路间的交互作用导致VSC-HVDC系统失稳,而在整流模式下,由于PLL和无功独立控制回路不存在RHP零点,不同控制回路间的交互作用较弱,对系统稳定性影响较小。


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