电压源型变流器群与电网动态互联系统的稳定性分析及控制

The dynamic interconnected system between multiple voltage source converters (VSC) and the utility grid would be more and more popular in the distributed renewable energy generation system and flexible HVDC system. Due to the strong-nonlinear，short response time and variable operating point of the VSC and the interactive influences among grid-connected VSC group and the utility grid, the dynamic interconnected system has the potential risk for stable and effective operation, which would be result in high and(or) low frequency oscillation, even the blackout of power grid. . This project will focus on the stability analysis and control methods of the dynamic interconnected system between multiple voltage source converters and the utility grid. Adopting the complex variable transfer function theory, the model of the grid-connected VSC will be changed to a single input single output system from multiple input multiple output system, which largely simplifies the system analysis. Firstly, the multivariable large signal frequency domain model with operating points and high frequency features of VSC is studied, and the complex variable impendence model is built. Next, the stability analysis of the single VSC, multiple VSCs and VSCs-grid are researched, and the dynamic behaviors of the VSCs-grid interconnected system are revealed. Finally, the unstable oscillatory phenomenon would be identified online and adaptive impedance correction control methods for the VSCs-grid interconnected system are prosed to reduce or eliminate the risk of instability. The completion of this project may find out a new modeling and analysis method for three phase grid-connected converters, and provide theoretical and technical support for stable and reliable operation and engineering application of distributed renewable energy generation system and flexible HVDC system.

在分布式发电并网及柔性直流输电等领域，电压源型变流器群与电网动态互联系统成为常态。电压源型变流器是一个响应时间短且运行工作点变化的强非线性装置，同时互联变流器之间及与电网之间的交互作用，对系统的稳定可靠运行是一个潜在威胁，会出现不稳定现象，发生高频和低频振荡，引发系统故障。. 本项目拟采用复变量传递函数理论将并网变流器由多输入多输出系统转化为单输入单输出系统，建立包含工作点信息及高频特性的变流器多变量频域大信号数学模型和描述变流器端部特征的复变量阻抗模型，研究单个变流器、变流群内部及变流器群与电网间的稳定性分析方法，在线辨识动态互联系统的不稳定振荡现象，自适应修正系统的等效阻抗，实现动态互联系统的良性自适应闭环全局稳定控制。本项目的研究成功，将可能为三相并网变流器的建模及稳定性分析探索出新的方法，为分布式发电并网和柔性直流输电等系统的稳定可靠运行及工程应用提供理论和技术支撑。

电压源型变流器群的安全可靠运行对于整个分布式发电系统而言都具有十分重要的意义。为了揭示变流器群与电网动态互联系统的动力学行为，增强其稳定运行能力，本项目从电压源型变流器的动态数学模型、电压源型变流器群与电网动态互联系统的稳定性分析、增强变流器群与电网动态互联系统稳定运行能力的控制策略等方面开展了一系列研究工作。在动态数学模型方面，首先，引入了变流器工作点信息，建立了多变量频域环路模型，便于分析变工作点工况下的稳定性；然后引入复变量，建立三相并网逆变器的复变量阻抗模型，用于稳定性分析与控制。在变流器群稳定性分析方面，首先研究了单个变流器的稳定性分析方法，提出了基于系统回差矩阵的GNC判稳方法；然后利用模态分析的方式研究了变流器群之间及变流器群与电网间的稳定性分析方法，对变流器群的总入网电流以及变流器之间的环流谐振特性进行了分析，揭示了变流器群与电网动态互联系统的动力学行为。在稳定控制策略方面，首先，提出了增强单个变流器数字控制稳定性和对弱电网鲁棒性的控制策略，分别采用PWM直接修正和间接延时补偿的方式解决了弱电网情况下采用数字控制并网逆变器可能失稳的问题；针对传统的电网电压前馈策略在弱电网条件下鲁棒性低的问题，分别从控制器参数优化和改进的分频段虚拟阻抗校正两方面对其进行了改善，在提高变流器谐波抑制能力的同时增强了其对电网阻抗宽范围变化的适应能力。最后，提出了一种基于串联有源阻尼器的全局谐振抑制策略，消除了变流器群在电网阻抗上复杂的耦合关系，增强了变流器群与电网动态互联系统稳定运行能力。本项目按原定计划书执行，并完成了所有研究目标与内容，为分布式发电并网和柔性直流输电等系统的稳定可靠运行及工程应用提供了理论和技术支撑。