【CPSS TPEA 必读论文】考虑锁相环（PLL）非线性影响并网变流器的暂态稳定性分析

作为可再生能源并网发电单元重要组件之一的电压源型变流器（VSC）正在电力系统中扮演日益重要的角色。为了保证电力系统稳定安全运行，电网导则已经对并网VSC的运行特性进行了规范化。其中，低压穿越（LVRT）导则要求可再生能源发电单元在电网电压跌落期间与电网保持连接并进行无功支撑。

当电网发生故障后，电网的戴维南等效阻抗变得很大，导致VSC与电网之间的弱连接。因此，VSC的机端电压极易受到输出电流的影响。与此同时，输出电流也受到机端电压的影响，因为电流相角由锁相环（PLL）引导，而PLL以机端电压作为输入。PLL与机端电压之间的动态交互可能导致VSC在LVRT期间与电网失去同步，甚至导致切机，这样便违背了LVRT导则。

考虑到电网故障大扰动下VSC系统的状态轨迹呈现大的变化幅度，PLL的非线性不可被忽略，小信号稳定分析结果可能失效，因此需进行暂态稳定分析。论文考虑PLL非线性研究了VSC在LVRT期间的暂态稳定性，亮点在于系统简化建模与暂态稳定机理分析。

1）  开发了计及电网阻抗作用的PLL二阶非线性模型，如图1所示，用以分析VSC的动态同步特性；

2）  通过分析空间矢量追踪关系，揭示了LVRT期间VSC与电网再同步的机理；

3）  将二阶非线性模型变换为运动方程的形式，含有惯量系数和阻尼系数，据此分析了电路参数和控制器参数对暂态稳定性（包括惯量特性和阻尼特性）的影响。

图1 并网VSC系统及简化模型，(a)基于PLL的电流控制，(b)PLL和机端电压的交互示意，(c)二阶非线性模型

结果表明，VSC的暂态稳定性首先决定于故障后稳态平衡点的存在性，如图2所示，其中电网残压、电网等效阻抗、LVRT期间电流指令均对稳态平衡点有影响。如若平衡点存在，则能否稳定在稳态平衡点（SEP）还受阻尼特性的影响，其中PLL参数对阻尼特性的影响尤为重要，比例系数越大，积分系数越小，阻尼特性越好。以积分系数ki为例，图3示出了三种取值下稳定性的仿真结果，可以看出ki越小，越利于暂态稳定。

图2 平衡点存在性示意图，(a)电网残压减小，(b)电网阻抗幅值增大，注：UEP和SEP分别表示不稳定和稳定平衡点

图3 电网电压0.3s跌落至10%后PLL取不同积分系数的仿真结果

在严重电网电压跌落期间，由于PLL与机端电压的交互行为，VSC可能与电网失去同步。论文开发了描述VSC动态同步过程的二阶非线性模型，基于此研究了VSC暂态稳定的机理与影响因素。研究结果可为LVRT期间电流指令设定以及PLL参数设定提供指导意见。

何秀强

清华大学，博士研究生

主要研究方向：并网同步稳定性、电力电子变换器暂态稳定性研究、大规模分布式发电系统动态等效建模。

耿华

清华大学，副教授

主要研究方向：先进电力电子控制、可再生能源转换系统。

《IEEE能源转换学报（IEEE Transactions on Energy Conversion）》编辑，《IEEE工业应用学报（IEEE Transactions on Industry Applications）》副主编，《中国电气工程学报》副主编。

马少康

清华大学，博士研究生

主要研究方向：分布式发电系统、可再生能源转换系统和数字控制系统。

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