非同步运行的多变流器并网系统建模及非线性特性分析

When the grid-connected multi-converters system suffer from grid disturbances, the multi-converters will produce complex asynchronous responses due to the different control characteristics, which will pose a threat to the dynamic stability of the system. Considering that the response and the interconnected structure of the system are nonlinear, there must be a severe stability problem of the multi-converters under an asynchronous operation. In this project, a new modeling method of multi-converters interaction system based on a harmonic balance method is proposed and the nonlinear dynamic characteristic of the system is analyzed. The study is mainly about: 1) considering the output discordance of every three-phase converters under dynamic operation, and proposing the interaction model based on a harmonic balance method with; 2) establishing the nonlinear model of the whole system, and analyzing the mechanism of the dynamics structural change in a grid-connected multi-converters system based on a bifurcation theory; 3) considering the key factors such as the control coefficient of the phase-locked loop, the line impedance and the converter capacity and so on, and giving the range of the system parameters design. Finally, an experimental system is built to verify the validity of the model and the mechanism analysis. This project will provide a new analytical method for the oscillatory instability of the grid-connected multi-converters system, and give the power conversion system a theoretical basis in studying the nonlinear problems.

多台电力电子变流器通过交流线路互联并网系统受扰动冲击后，各变流器具有不同控制特性，导致多变流器产生非同步的复杂响应，给系统动态安全稳定带来威胁。由于系统中变流器自身及系统互联结构等方面具有非线性因素，多变流器非同步运行引起的系统状态演化行为规律难以有效把握。本项目基于多体系统研究中的正则摄动方法，提出变流器交互作用建模新思路，并基于分岔分析手段对系统非线性特性进行分析。重点研究：1)考虑动态运行时各三相并网变流器输出的不一致性，提出一种基于正则摄动分析的交流电源节点间交互作用模型，解析不同时间尺度的耦合关系；2)组合建立系统整体非线性模型，基于分岔理论分析多变流器并网系统的动力学结构变化机理；3)识别影响系统失稳的关键因素，给出参数设计范围。最后，建立实验系统验证模型和机理分析有效性。本项目将为电力电子并网系统的振荡失稳问题提供新的解析思路，为功率变换系统非线性科学问题的研究提供理论基础。

本项目围绕多台电力电子变流器并网系统受电网扰动冲击下的非同步运行问题，以多变流器通过非理想弱电网相互耦合特性为出发点，以多变流器并网系统的非线性分析为主要研究手段，辅以小信号和暂态稳定性分析方法，沿着解析建模、稳定分析、交互分析、设计优化的思路开展研究。主要研究了并网变流器的非线性特性及其解析建模；电网扰动下并网变流器系统暂态稳定性分析；跟网型和构网型变流器的暂态同步稳定性分析；非同步并网变流器系统的交互作用及其连锁失稳分析；基于解析模型的多变流器并网系统稳定分析和参数设计；以及非同步并网变流器系统在控制环影响下的多约束运行域等6个方面的内容。.本项目主要创新包括以下3个方面：1）提出了故障扰动电网工况下的并网变流器准稳态时域解析模型，求解了故障扰动下同步过程时域解，准确刻画了并网变流器的同步稳定边界；2）提出了基于多尺度法的多并网变流器系统同步稳定分析及参数设计方法，给出了系统同步稳定判据，可优化系统线路和控制参数设计；3）揭示了电网扰动下多台跟网型并网变流器连锁失稳机理，建立了基于能量平衡的系统暂态同步稳定判据，定量分析了并网变流器之间的静态和动态交互作用对系统暂态同步稳定的影响。.通过以上研究，项目发表论文SCI/EI期刊论文10篇，申请中国发明专利3项（授权1项），培养博士/硕士共4人，广泛深入地开展了学术交流，受邀组织期刊专刊、会议专题、作会议大会报告等7次。项目成果作为主要技术支撑获2021年湖北省科技进步一等奖1项，项目核心支撑论文入选ESI高被引（Highly Cited Paper）1次，获CSEE JPES期刊优秀论文奖1项。本项目将为多电力电子变流器并网系统的振荡失稳问题提供新的解析思路，为非同步运行的功率变换系统非线性科学问题的研究提供理论基础。