[论文解读] Generalized-impedance and Stability Criterion for Grid-connected Converters

Huanhai Xin, Ziheng Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2017

Microgrid Control and Optimization参考文献 15被引用 31

一句话总结

本文提出了一种广义阻抗稳定性准则（GISC），以解决传统阻抗稳定性分析在并网变流器中因局限性而带来的问题。通过在极坐标系中表述变流器与电网的阻抗，并从系统的特征方程推导出动态交互方程，GISC 简化了小信号稳定性分析，将不稳定现象解释为广义阻抗之间的谐振，相较于传统方法提供了更精确且降维的分析框架。

ABSTRACT

The output impedance matrix of a grid-connected converter plays an important role in analyzing system stability. Due to the dynamics of the DC-link control and the phase locked loop (PLL), the output impedance matrices of the converter and grid are difficult to be diagonally decoupled simultaneously, neither in the dq domain nor in the phase domain. It weakens the effectiveness of impedance-based stability criterion (ISC) in system oscillation analysis. To this end, this paper innovatively proposes the generalized-impedance based stability criterion (GISC) to reduce the dimension of the transfer function matrix and simplify system small-signal stability analysis. Firstly, the impedances of the converter and the grid in polar coordinates are formulated, and the concept of generalized-impedance of the converter and the grid is put forward. Secondly, through strict mathematical derivation, the equation that implies the dynamic interaction between the converter and the grid is then extracted from the characteristic equation of the grid-connected converter system. Using the proposed method, the small-signal instability of system can be interpreted as the resonance of the generalized-impedances of the converter and the grid. Besides, the GISC is equivalent to ISC when the dynamics of the outer-loop control and PLL are not considered. Finally, the effectiveness of the proposed method is further verified using the MATLAB based digital simulation and RT-LAB based hardware-in-the-loop (HIL) simulation.

研究动机与目标

• 为解决传统阻抗稳定性准则（ISC）在存在直流侧控制与锁相环（PLL）耦合动态时的局限性。
• 克服在 dq 或相序域中无法对变流器与电网阻抗矩阵进行对角解耦的问题。
• 开发一种简化且降维的小信号稳定性分析方法，用于并网变流器。
• 将系统不稳定现象解释为变流器与电网广义阻抗之间的谐振。
• 通过数字仿真与硬件在环（HIL）测试验证所提方法。

提出的方法

• 在极坐标系中表述变流器与电网的输出阻抗，以更有效地捕捉动态交互。
• 引入变流器与电网的广义阻抗概念，实现系统动态的统一表征。
• 从并网系统的特征方程推导出动态交互方程，以建模小信号行为。
• 通过广义阻抗表述聚焦于主导谐振模式，降低传递函数矩阵的维度。
• 建立基于谐振的不稳定解释，即当广义阻抗发生谐振时系统即不稳定。
• 采用基于 MATLAB 的数字仿真与基于 RT-LAB 的硬件在环（HIL）仿真验证该方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何改进阻抗稳定性准则，以处理并网变流器中由直流侧控制与锁相环（PLL）引起的耦合动态？
• RQ2 当变流器与电网阻抗矩阵在 dq 或相序域中无法解耦时，传统 ISC 方法在哪些方面失效？
• RQ3 广义阻抗表述能否通过降低系统维度，简化并网变流器的小信号稳定性分析？
• RQ4 在何种条件下，所提出的 GISC 与传统 ISC 等价？
• RQ5 广义阻抗谐振模型为何能比现有方法更准确地解释系统不稳定现象？

主要发现

• 所提出的基于广义阻抗的稳定性准则（GISC）成功降低了传递函数矩阵的维度，简化了系统稳定性分析。
• GISC 将系统不稳定现象解释为变流器与电网广义阻抗之间的谐振，提供了更清晰的物理解释。
• 当忽略外环控制与锁相环（PLL）动态时，该方法与传统阻抗稳定性准则（ISC）保持等价。
• 基于 MATLAB 的数字仿真验证了 GISC 在预测系统不稳定现象方面的准确性与有效性。
• 基于 RT-LAB 的硬件在环（HIL）仿真进一步在真实动态条件下验证了所提方法。