1、第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 Vol.47 No.4 2023 年 4 月 Power System Technology Apr.2023 文章编号：1000-3673（2023）04-1632-09 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 弱连接在“外环 锁相环”时间尺度下的一类小扰动稳定性提升方法及等效性分析李霞林1，李佳鑫1，朱琳1，黄玉辉1，张晨2，郭力1（1智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津市 南开区 300072；2国网辽宁省电力有限公司，辽宁省 沈阳市 110006）Equivalence Analysis of A Class of
2、 Small-signal Stability Enhancement for Weak Grid Connected VSCs in“Outer-loop&PLL”Time-scale LI Xialin1,LI Jiaxin1,ZHU Lin1,HUANG Yuhui1,ZHANG Chen2,GUO Li1(1.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education(Tianjin University),Nankai District,Tianjin 300072,China;2.State Grid Liaoning Electri
3、c Power Supply Co.,Ltd.,Shenyang 110006,Liaoning Province,China)1ABSTRACT:A large number of theoretical researches have found that as the voltage source converter(VSC)is tied to the weak AC grid,there is the risks of the small disturbance instability dominated by the outer loop-phase locked loop int
4、eractions.Such instability problems have also happened in many practical projects.To solve above problem,a lot of improving strategies have been proposed in the existing literatures.The basic principle is to exert an additional compensation control between the active outer loop,the reactive outer lo
5、op and the phase locked loop to improve the small signal stability of the weak grid connected VSC(WG-VSC).In this paper,these methods are summarized as a class of small disturbance stability improving strategies for the WG-VSC in the outer loop-PLL interaction timescale.If all these control strategi
6、es improve the small signal stability of the WG-VSC system,is there any influence equivalence in them?In addition,based on the equivalence principle,are there any other improving control strategies able to be derived?The motivation of this paper is to solve the above problem from the perspective of
7、methodology,and then provide a theoretical basis for solving such stability problems.The innovation of this paper is to reveal for the first time that this kind of improving control methods have some equivalent effects on improving the small disturbance stability of the WG-VSC system in outer loop&p
8、hase-locked loop interaction timescale based on an equivalent phase-locked loop model.In addition,by observing and analyzing the characteristics of the existing compensation 基金项目：国家自然科学基金项目(51977142)；国家重点研发计划(2020YFB1506803)。Project Supported by the National Natural Science Foundation of China(51977
9、142);National Key Research and Development Program of China(2020YFB1506803).control strategies in terms of their topologies and mechanisms of action,this paper predicts a variety of other novel small disturbance stability enhancement control strategies.Based on the analysis of the equivalent PLL mod
10、els,it is concluded that such compensation control strategies have equivalence for the small disturbance stability enhancement of the WG-VSC systems with certain specific controller design methods.Finally,the detailed electromagnetic transient simulation model based on the PSCAD/EMTDC verifies the a
11、ccuracy of the theoretical analysis in this paper.KEY WORDS:weak grid connected VSC;“outer-loop&PLL”time-scale;small-signal stability enhancement method;equivalent PLL model;equivalence analysis 摘要：大量理论研究发现电压源换流器(voltage source converter，VSC)接入薄弱电网后，易发生由“外环锁相环”交互所主导的小扰动失稳现象，且在多个实际工程中也发现此类稳定问题。为此，国内外
12、学者提出了大量改进控制方法，其基本原理为在有功外环、无功外环与锁相环三者之间施加附加补偿控制，以提升弱连接 VSC(weak-grid connected VSC，WG-VSC)并网稳定性。该文将这些方法归纳为 WG-VSC 在“外环锁相环”时间尺度下的一类小扰动稳定性提升方法。试想，这些策略都能提升稳定性，那么它们是否存在某种等效性？此外，基于等效性原理，还能否推导出其他的改进控制措施？该文研究动机是期望从方法论的视角回答上述问题，进而为解决此类稳定性问题提供基本依据。该文创新工作是基于一种能够清晰展现“外环锁相环”交互关系的等效锁相环模型，首次揭示了这一类改进控制方法在提升WG-VSC“外
13、环锁相环”时间尺度小扰动稳定性方面具有等效性。此外，通过观察分析现有补偿控制策略在拓扑结构和作用机理上的特点，该文还预测了其余多种新型小扰动稳定性提升控制策略，并基于等效锁相环(phase locked loop，PLL)模型分析得出，通过特定的控制器设计方法，可使得第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 1633 此类补偿控制策略在 WG-VSC 系统小扰动稳定性提升方面具有等效性。最后，基于 PSCAD/EMTDC 的详细电磁暂态仿真模型验证了该文理论分析的准确性。关键词：弱连接 VSC；“外环锁相环”时间尺度；小扰动稳定性提升方法；等效锁相环模型；等效性分析 DOI：10.13335/
14、j.1000-3673.pst.2022.1161 0 引言 大力开发可再生能源是实现“碳中和、碳达峰”目标的必然举措1。电力电子变流器作为可再生能源的并网接口，近年来在电力系统中的占比显著提高2-3。基于锁相环(phase locked loop，PLL)同步的电压源换流器(voltage source converter，VSC)具有运行控制方式灵活多样、有功无功解耦控制等优势，现广泛应用于实际系统4-5。然而由于我国源荷分布不均衡，大规模可再生能源发电经长距离交流线路并网运行，将导致两者间的连接强度薄弱。实际工程中弱并网 VSC(weak grid connected-VSC，WG-VS
15、C)已出现了诸多“外环-PLL”时间尺度下的小扰动稳定性问题，如风电经接口 VSC 并网引发的稳定性问题6，以及轨道交通牵引网络出现的振荡失稳现象7。可以预见，随着新型电力系统的迅速发展，上述稳定性问题将愈发明显。现有研究基于理论分析指出，电网强度减弱将使得 VSC 外环与 PLL 的耦合交互显著增强，进而导致“外环-PLL”时间尺度下的小扰动稳定性(简称小扰动稳定性)问题8-10。为此，国内外学者提出了大量改进控制方法，其基本原理主要为在有功外环、无功外环与 PLL 三者之间施加附加补偿控制，以提升 WG-VSC 并网稳定性。本文将这些方法归纳为 WG-VSC 在“外环锁相环”时间尺度下的一
16、类小扰动稳定性提升方法。文献11-14所提改进方法可总结为从 PLL 到有功外环或无功外环的附加控制。文献13提出了一种附加频率有功功率阻尼控制方法，该方法通过将 PLL 输出频率与系统额定频率之差作为补偿控制的输入量，并与频率有功功率阻尼系数相乘，得到有功功率附加阻尼分量，进而提升 WG-VSC系统的小扰动稳定性。在上述研究的基础上，文 献12进一步将频率有功功率阻尼系数改进为动态环节，使 WG-VSC 系统小扰动稳定性得到进一步提升。文献13基于参与因子分析指出，弱交流电网环境下 PLL 输出相角动态对电压控制稳定性影响很大，并由此提出一种频率电压阻尼控制，该方案基于 PLL 的输出角频率产生一个交流电压参考的补偿量，为交流电压控制提供附加阻尼，对WG-VSC 系统的小扰动稳定性具有一定的提升效果。文献14分析指出随交流电网的短路比降低，PLL 的相角稳定裕度逐渐下降，当短路比低于其临界值时将使得 PLL 回路阻尼不足而发生失稳。针对上述现象，该文献引入了一条由 PLL 输出相角至无功功率的补偿阻尼控制环节，用以提升系统阻尼，有利于小扰动稳定性稳定。亦有研究指出，提升VSC 外环的