1、第 42 卷 第 1 期2023 年1 月Zhejiang Electric PowerVol.42，No.01Jan.25.2023PLL-GFC型MMC-HVDC暂态同步稳定性研究华文1，董炜1，叶琳2，李斯迅3，张哲任3，徐政3（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007；3.浙江大学 电气工程学院，杭州 310027）摘要：PLL-GFC（基于锁相环的构网型换流器）具备频率与电压调节能力，然而目前对其接入高压交流电网后的暂态同步稳定性缺乏深入了解。为此，对PLL-GFC型MMC-HVDC（模块化多电平换流器型高压直流输电
2、）暂态同步稳定机理展开研究。首先，介绍PLL-GFC型MMC-HVDC控制策略并分析其功率响应特性。然后，建立MMC-HVDC并网系统暂态同步稳定模型，采用相图曲线方法分析电网故障后换流器失稳机理以及电网电流动态变化对其暂态同步稳定性的影响。研究发现稳定平衡点的存在是换流器并网系统故障后暂态稳定的关键因素，由此提出通过动态调节有功电流指令值来提升暂态同步稳定性的增强措施。最后，通过PSCAD/EMTDC搭建电磁暂态仿真模型，验证了失稳机理分析的正确性与增强措施的有效性。关键词：暂态同步稳定性；锁相环；构网型换流器；模块化多电平换流器型高压直流输电；相图曲线DOI:10.19585/j.zjdl
3、.202301002 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：A study of the transient synchronization stability of PLL-GFC-based MMC-HVDC systemsHUA Wen1，DONG Wei1，YE Lin2，LI Sixun3，ZHANG Zheren3，XU Zheng3（1.State Grid Zhejiang Electric Power Co.，Ltd.Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power C
4、o.，Ltd.，Hangzhou 310007，China；3.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）Abstract:Phase-locked loop-based grid-forming converters（PLL-GFCs）can regulate frequency and voltage.However，the transient synchronization stability after their connection to the high-voltage
5、AC power grid is unclear.Therefore，the transient synchronization stability mechanism of the PLL-GFC-based MMC-HVDC（modular multilevel converter-based HVDC）systems is studied.Firstly，the control strategy of the PLL-GFC-based MMC-HVDC systems is introduced，and the power response characteristics are an
6、alyzed.Secondly，the grid-connected MMC-HVDC systems transient synchronization stability model is built.The instability mechanism of the converters after grid faults and the influence of the dynamic changes of the grid current on the transient synchronization stability are studied based on phrase dia
7、gram curves.It is concluded that the equilibrium point is crucial to the transient stability after the fault occurs on the inverter-connected power grid.Therefore，an enhancement measure to improve the transient synchronization stability by dynamically adjusting active current command values is propo
8、sed.Finally，an electromagnetic transient simulation model is built by PSCAD/EMTDC to verify the correctness of the instability mechanism analysis and the effectiveness of the enhancement measure.Keywords:transient synchronization stability；phase-locked loop；grid-forming converter；MMC-HVDC；phase diag
9、ram curve0引言目前，电力系统正处于向高比例可再生能源和高比例电力电子化（即“双高”）转型的关键阶段。非同步机电源的接入将打破传统同步发电机的主导地位，深刻影响电力系统的动态特性1-5。MMC-HVDC（模块化多电平换流器型柔性直流输电）在大规模新能源并网中具有广泛的应用前景6-8。非同步机电源根据其控制策略一般可以分为跟网型换流器和构网型换流器。跟网型换流器外基金项目：国网浙江省电力有限公司科技项目（5211DS21N005）第 42 卷部特性表现为电流源特性，通常采用PLL（锁相环）保持与电网电源同步3，具有响应速度快的优点，适用于SCR（短路比）较大的强电网9。构网型换流器外部特
10、性表现为电压源特性，通过模拟同步发电机摇摆方程保持与电网电源同步3，典型代表是采用PSC（功率同步控制）的电压源换流器，适用于SCR较小的弱电网10，在“双高”系统中应用潜力巨大。然而，采用PSC的构网型换流器在启动过程中以及在交流电网发生故障而切换到限制过电流控制模式时，需要切换为PLL控制以避免与电网失去同步3，这可能造成构网型换流器在PLL与PSC控制模式之间频繁切换。为避免该问题，文献 11 结合PSC与PLL的特点提出了PLL-GFC（基于 PLL 的构网型换流器）控制策略，PLL-GFC通过PLL与电网电源同步，具备频率与电压调节能力，适用于接入弱电网与无源供电模式。目前，并网换流
11、器的暂态稳定性研究受到了学界广泛关注。其主要关注在经历大扰动（例如电网电压跌落故障）后，换流器能否与电网电源保持同步稳定运行。跟网型换流器与电网保持同步的关键环节在于PLL3，构网型换流器与电网保持同步的机理与其具体采取的同步措施相关。文献12 采用相图曲线方法研究了PSC在不同类型电网故障下的暂态行为；文献 13-14 分别基于传统交流电力系统分析方法与李雅普诺夫方法研究了PSC的失稳机理。上述文献均没有考虑到无功-电压变化对PSC暂态稳定性的耦合影响，针对此问题，文献 15-16 建立了考虑无功-电压耦合后二阶PSC并网暂态稳定模型，并研究失稳机理。然而，目前仍尚无文献研究PLL-GFC的
12、同步稳定问题。由于PLL-GFC与电网保持同步的原理和PSC有较大区别，其失稳机理需要深入研究。本文研究PLL-GFC型MMC-HVDC暂态同步稳定机理。首先，介绍 PLL-GFC 型 MMC-HVDC换流站的控制策略及其并网运行特性。然后，建立MMC-HVDC并网系统在大干扰下的暂态稳定模型，并分析电网电压跌落后 MMC-HVDC并网系统的暂态同步稳定性。最后，提出PLL-GFC型MMC-HVDC并网系统暂态同步稳定性的改善措施并进行仿真验证。1PLL-GFC型MMC-HVDC并网系统1.1系统结构本文研究采用的MMC-HVDC并网系统模型如图1所示，MMC-HVDC采用单侧模型，其直流电压
13、由其余换流站控制1，交流电网采用戴维南等效电路来模拟。图1中，Udc为直流系统直流电压，is和us分别为换流站注入电网电流和PCC（并网点）交流母线电压，Ps+jQs为构网型换流器向交流电网注入的功率，ug为交流电网电压，Rs和Xs分别为交流电网等值阻抗Zs的电阻和电抗分量，XT为构网型换流器的连接变压器漏抗。交流系统SCR的值SCR能够用来衡量系统强度17，其与系统阻抗的关系为：SCR=1|Zs（1）Rs=1SCRcos(Z)，Xs=1SCRsin(Z)（2）式中：Z为系统阻抗角。考虑电网阻抗耦合动态时，静止坐标系下换流器并网系统网络方程为（粗体字符表示对应量的空间矢量，下同）：us-ug-
14、Rsis-jXsis=0（3）静止坐标系、电网xy旋转坐标系与换流器的dq旋转坐标系的变换关系分别为：A=ejPLLAdq=ejPLLtAdq（4）Axy=ej()PLL-gAdq（5）式中：A、Adq、Axy分别为上标对应坐标系下的空间矢量，下同；PLL为换流器坐标变换的角度，即PLL输出的角度；PLL为PLL输出的角速度；g为电网电压角度。由式（3）（5）可以得到换流器输出电流、PCC电压以及电网电压的关系为：usdq-e-j()PLL-gugxy-Rsisdq-jXsisdq=0（6）设定电网电压为全网相位角基准，即g=0。考虑到换流器并网系统为高压电网，XsRs3，可图1 MMC-HV
15、DC并网系统模型Fig.1 MMC-HVDC grid-connected system model14 第 1 期华文，等：PLL-GFC型MMC-HVDC暂态同步稳定性研究以得到：usd=-Xsisq+UgcosPLLusq=Xsisd-UgsinPLL（7）式中：Ug为交流电网电压有效值；下标中的d和q分别表征对应量的d轴和q轴分量，下同。令Us为PCC电压有效值，当系统处于稳态时usq=0，usd=Us。换流站向交流电网注入有功功率和无功功率可按式（8）计算：Ps=UsisdQs=-Usisq（8）1.2PLL-GFC型MMC-HVDC控制策略PLL-GFC 型 MMC-HVDC 换
16、流 站 采 用 定PCC电压有效值Uref与定有功功率Pref控制方式，其控制系统如图2图4所示。图2为PLL控制框图，其中0为系统额定角频率；PLL为PLL输出角频率；为 PLL 输出的角频率差值，也是MMC与电网之间的相对角速度；s为拉普拉斯算子；Fp（s）为PLL中的传递函数。图3为电压外环控制框图，其中u*sd、u*sq、i*vd、i*vq分别为d轴和q轴电压、电流参考值；Ipref为MMC的有功电流参考值，Ipref=Pref/Uref，Pref为有功功率指令值，Uref为PCC电压指令值；Bad和Tq为q轴电压控制环节的惯性常数；Ga为d轴电压控制环的控制参数11。图4为广泛采用的MMC-HVDC内环电流控制方式6，其中X为MMC换流站基波连接电抗；ivd和ivq分别为d轴和q轴电流测量值。PLL的输入为q轴电压usq，电网遭受扰动期间usq的值决定了换流器的PLL角速度变化情况。当 usq0 时，0，换流器相对于电网将“加速”运行；同理当usq0时，换流器将“减速”运行。PLL中的传递函数Fp（s）表达式为11：FP(s)=(Bau*sd-isq)(Kp+Kis)（9）式
