[论文解读] A Generalized-Impedance Based Stability Criterion for Three-Phase Grid-Connected Voltage Source Converters

Huanhai Xin, Ziheng Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2017

Microgrid Control and Optimization参考文献 5被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种基于广义阻抗的三相电网并网电压源换流器（VSC）稳定性判据，通过广义阻抗将多输入多输出（MIMO）系统转化为等效的单输入单输出（SISO）框架，精确处理阻抗矩阵中的耦合项。该方法无需对耦合项进行近似，可实现精确的稳定性评估，研究还分析了锁相环（PLL）参数对系统稳定性的影响，并通过在RT-LAB平台上进行的硬件在环（HIL）仿真得到验证。

ABSTRACT

The output impedance matrices of three-phase grid-connected voltage source converters (VSCs) are widely used in power system stability analysis. Regardless of how the impedance is modeled, there always exist coupling terms in the impedance matrix, which makes the system a multi-input- multi-output (MIMO) system. Some approximation approaches omit the coupling terms so that a three-phase system can be treated like a single-phase one, and the impedance-based stability criterion for a single-input-single-output (SISO) system is applicable. However, such handling may result in analytical errors or even incorrect conclusions in a mirror frequency coupled system. By introducing the concept of generalized- impedances, this letter proposes a new stability criterion based on a virtual SISO system, which can effectively handle the coupling terms. Further, the effects of the phase-locked-loop (PLL) parameters on system stability are studied based on the proposed criterion. The effectiveness of the proposed criterion is verified by a hardware-in-the-loop (HIL) simulation based on RT-LAB.

研究动机与目标

• 为解决传统基于阻抗的稳定性分析在三相电网并网VSC中的局限性，即阻抗矩阵中的耦合项使MIMO系统分析复杂化。
• 克服将耦合项近似为单相（SISO）系统所引入的不准确性，此类近似可能导致镜像频率耦合系统中得出错误的稳定性结论。
• 提出广义阻抗框架，通过将MIMO系统转化为等效SISO系统，同时保留耦合效应，实现精确的稳定性评估。
• 利用所提判据研究锁相环（PLL）参数对系统稳定性的影响。

提出的方法

• 引入广义阻抗的概念，用于表示dq旋转坐标系中各序分量所见的有效阻抗，从而实现对MIMO系统的解耦分析。
• 利用广义阻抗将三相VSC系统转化为等效SISO系统，从而可应用标准的SISO稳定性准则。
• 通过分析VSC在dq参考系下的小信号模型，显式地推导广义阻抗矩阵，涵盖所有耦合项。
• 应用奈奎斯特稳定性判据于由广义阻抗定义的等效SISO系统，以评估系统稳定性。
• 基于广义阻抗进行特征值分析与稳定性裕度评估，以量化系统的鲁棒性。
• 在不同PLL参数设置下，通过RT-LAB平台上的硬件在环（HIL）仿真验证所提判据。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不将系统近似为单相（SISO）的情况下，精确处理三相电网并网VSC阻抗矩阵中的耦合项？
• RQ2 在分析中保留耦合效应时，锁相环（PLL）参数对三相VSC稳定性的影响是什么？
• RQ3 广义阻抗框架能否有效将MIMO VSC系统转化为等效SISO系统以实现稳定性评估？
• RQ4 在镜像频率耦合系统中，所提判据是否比传统SISO近似方法得出更准确的稳定性结论？
• RQ5 在系统参数变化的情况下，该方法与传统基于阻抗的分析相比，在准确性和鲁棒性方面有何差异？

主要发现

• 所提出的基于广义阻抗的判据在不忽略耦合项的情况下，能准确捕捉三相VSC的稳定性行为，避免了SISO近似带来的分析误差。
• 该方法揭示了PLL参数对系统稳定性具有显著影响，尤其体现在正序与负序阻抗相互作用方面。
• HIL仿真结果表明，所提判据能正确预测稳定性裕度，并在传统方法可能失效的条件下识别出不稳定状态。
• 广义阻抗框架使稳定性裕度（如相位裕度与增益裕度）的解释更加清晰，与SISO系统类似。
• 研究表明，镜像频率耦合效应至关重要，必须在稳定性分析中予以保留，否则将导致误导性结论。
• 在RT-LAB上的验证表明，理论预测与实时仿真结果高度一致，证实了所提判据的实际适用性。