【SCI抢鲜】华中科技大学 袁小明，胡家兵等：电力系统直流电压控制时间尺度小干扰稳定性建模方法——电压源型并网变换器
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今天带给大家的是华中科技大学半导体化电力系统研究中心团队的研究成果，该文已被IEEE Transaction on Power Systems录用并在线发表，欢迎品读。
电力系统直流电压控制时间尺度小干扰稳定性建模方法——电压源型并网变换器
DOI: 10.1109/TPWRS.2017.2653939
袁豪，袁小明，胡家兵
随着可再生能源发电、直流输电及无功补偿和交流传动等应用的快速发展，以电压源型变换器（VSC）为接口的电力电子变换装备以其在电能变换方面的灵活性在电力系统中的渗透水平不断提高。从而，物理储能元件“直流母线电容”在电力系统中的分布也越来越广泛。近年来，与直流母线电容（电压）控制时间尺度（正文中有详细介绍）相近的系统振荡问题（数十赫兹）持续出现在国内外含高比例电力电子变换装备的电力系统，如德克萨斯风电场的串补振荡问题（约30赫兹）、海上风电柔直汇集系统振荡问题（约20赫兹）以及新疆哈密火电厂扭振问题（约20赫兹）。上述问题已引起工业界和学术界的高度重视，但背后的物理机理仍有待进一步探索与研究。从物理角度来看，这些振荡现象本质上是各装备质块（如直流母线电容）通过控制、网络耦合作用进行能量交换的结果。本文聚焦于直流电压控制时间尺度（数十赫兹）振荡问题，基于幅相动力学方法建立了适用于电力系统在该时间尺度下小干扰稳定性分析的VSC运动方程模型。
1）基于内电势概念的VSC外特性描述
对于系统层面的分析，电力装备的外特性往往比装备内部的细节更值得关注与研究。一般而言，不同电力装备对外均可等效为一电压源（称为内电势）串联阻抗的形式。对于VSC而言，本文定义变换器三相桥臂输出电压作为VSC的内电势，并聚焦于内电势幅值和相位两个维度的运动，归纳总结了与该运动相关的VSC外特性。
2）基于幅相动力学运动方程概念的装备物理特性抽象与归纳
在常规电力系统机电时间尺度稳定性分析中，图1所示同步机内电势运动方程已被电力工程师普遍熟悉与广泛应用。其中，围绕同步机外特性归纳总结的惯量和阻尼特性对认识常规电力系统机电时间尺度稳定问题的物理机理具有很大的帮助。以内电势为统一视角，本文作者认为在直流电压控制时间尺度VSC内电势运动背后应具有与同步机机电时间尺度相似的惯量和阻尼特性。因此，本文将广为熟悉的运动方程概念首次引入到直流电压控制时间尺度下VSC内电势运动特性的物理描述与建模中，并总结了相应尺度下VSC的惯量和阻尼特性。
图1 同步机转子/内电势运动方程框图
类似图1所示运动方程模型本质上是以不平衡功率作为输入，内电势作为输出，并通过两者间的传递函数关系来表征装备自身的物理特性。基于功率与电压矢量间的关系，本文首先将检测端电压引起的内电势特性等效转换为不检测端电压，内电势直接感受功率变化而具有的特性；然后，根据同步、阻尼功率与不平衡功率间的关系，进一步将内电势动态分解为分别与VSC同步功率和阻尼功率相关的动态分量，并得到相应的等效惯量和阻尼系数。以直流电压控制时间尺度VSC内电势相位运动为例，基于内电势、运动方程概念的VSC运动方程模型如图2所示。模型的详细推导及物理解释见论文原文。
图2 VSC内电势相位运动方程模型
该部分以单机无穷大系统为例（分析框图如图3所示），简单介绍模型在VSC直流电压控制时间尺度相位稳定性分析中的应用。假设某扰动使VSC相位偏离了平衡状态，相位状态θ的重新恢复必须依靠于有功功率P的变化。对于如图3所示的单机无穷大系统，当相位状态θ经历某个扰动时，有功功率P的变化过程可归纳总结为两条路径。一条路径是相位状态θ的变化直接通过网络引起VSC输出有功功率P的变化（称为相位θ的自稳作用），如图3中的红色轨迹线所示。另一条路径则是在相位状态θ变化激励下幅值状态E变化所引起的有功功率P的变化（称为幅值E动态对相位θ的致稳作用），如图3中的蓝色轨迹线所示。围绕图3中的蓝色轨迹线，易得幅值状态E与相位状态θ之间的状态关系，继而可将幅值E动态对VSC内电势相位动态的影响等效折算到VSC相位运动方程中，如图4所示。
图3 VSC单机无穷大系统直流电压控制时间尺度小信号稳定性分析框图
图4 幅值E动态对VSC内电势相位动态影响等效折算到VSC相位运动方程
最后，通过对比不同条件下加速度∆aVSC与速度∆ωVSC开环传递函数的频率响应曲线，可分析不同因素（如控制器参数）对图4所示系统相位运动阻尼的影响规律，继而应用于控制器的设计与优化。详细分析过程请参考论文原文。
从应用于电力系统直流电压控制时间尺度小干扰稳定性分析的目标出发，本文基于内电势、运动方程的概念建立了描述VSC直流电压控制时间尺度外特性的运动方程模型，并归纳总结了相应时间尺度的惯量和阻尼特性。另外，通过将检测端电压引起的内电势特性等效转换为不检测端电压，内电势直接感受不平衡功率变化而具有的特性，该模型仅与VSC自身的物理、控制参数相关，完全独立于外部网络，可方便扩展到多机系统建模与分析中。
值得强调的是，包括VSC在内各电力电子化装备的内电势动态普遍存在多时间尺度特征（以双馈风机为例，本实验室团队将电力电子化装备内电势动态按装备内部储能元件的特征及相应控制器的响应速度划分为交流电抗电流控制、直流电容电压控制、及转子转速控制等三个不同时间尺度），本文仅针对VSC内电势直流电压控制时间尺度的动态特性进行了运动方程建模描述。但本文所提出的建模方法及思想同样可扩展到电力电子装备内电势其他时间尺度（如交流电抗电流控制尺度和转子转速控制尺度）的动态描述中。该部分工作本实验室团队也已同步开展，将在今后的文章中陆续报道。
袁豪，华中科技大学在读博士生。主要研究方向：电力电子化电力系统直流电压控制时间尺度的稳定性建模、分析与控制优化。
袁小明，博士，华中科技大学教授，博士生导师。国家重点基础研究计划（973计划）项目“大规模风力发电并网基础科学问题”首席科学家，国家高技术研究计划（863计划）新型电力电子关键技术及装备主题专家，国家十三五规划智能电网技术与装备重点专项专家组成员，“千人计划”国家特聘专家。GE历史上首位华人总工程师，拥有近30项授权美国专利，是GE可再生能源发电故障穿越技术、虚拟同步发电技术的发明人，是变流器比例谐振控制技术的奠基人。率先倡导电力电子化电力系统安全稳定问题的研究，初步建立了多尺度建模、分析和控制的理论体系。
胡家兵，博士，华中科技大学教授，博士生导师。IEC SC8A WG1/AHG3工作组专家，国家优秀青年科学基金获得者，中组部“万人计划”青年拔尖人才入选者和教育部“长江学者计划”青年学者，爱思维尔2016年中国高被引学者（电气与电子工程领域）。曾获省部级科技奖励4项，发表SCI检索论文50余篇、H因子为18，申请国家发明专利20余项（授权9项）、国际发明专利3项（授权1项），出版专著1本、译著1本。目前担任IEEE Transactions on Energy Conversion（TEC）、IEEE Power Engineering Letters、IET Renewable Power Generation(RPG)，《电力系统自动化》等多个国际/国内期刊编辑/编委，曾任IEEE TEC、IET RPG和《中国电机工程学报》特约主编各一次。主要研究方向：大规模并网可再生能源发电装备及控制、柔性直流输电装备及网络分析、电力电子化电力系统建模分析与控制理论等。
半导体化电力系统研究中心(http://csps.seee.hust.edu.cn)团队现有研究人员50多人，其中，教授3名（袁小明、胡家兵、占萌），兼职教授3名，博士研究生31名，硕士研究生20名。主要从事电力电子化电力系统稳定性分析理论与控制方法、电力电子化电力装备/系统暂态故障分析与优化保护方法等研究工作。近5年中心承担了一批国家及省部级科技项目、企事业合作项目和国际合作项目，主要包括：973项目、国家自然科学基金重大项目课题、国家重点研发计划项目课题、中英自然科学基金项目、973青年科学家专题项目任务等。
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