[论文解读] Transient Stability Assessment for Current Constrained and Unconstrained Fault Ride-Through in Virtual Oscillator Controlled Converters

M A Awal, Iqbal Husain|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 23被引用 7

一句话总结

本文提出了一种针对虚拟同步机控制（uVOC）变换器在电流受限与非受限故障穿越（FRT）条件下的统一暂态稳定分析框架。通过引入一种新型的相平面分析方法，利用$̅{x}-x$曲面联合捕捉电压与功角动态，该方法揭示uVOC不受临界清除角限制——与二阶下垂或VSM控制器不同——即使在严重电流饱和情况下，也能实现鲁棒的FRT而不会丧失稳定性。

ABSTRACT

Unified virtual oscillator controller (uVOC) inherits the rigorous analytical foundation offered by oscillator based grid-forming (GFM) controllers and enables fast over-current limiting and fault ride-through (FRT). Control design for effective FRT requires transient stability analysis. Existing transient stability analysis methods and studies are limited in either considering only current unconstrained scenarios or neglecting the simultaneous power angle and voltage dynamics. Under current-constrained faults, the voltage and power angle dynamics are strongly coupled and both play critical roles in determining transient stability. Therefore, decoupled analysis of the two, typically used in transient stability studies, does not offer comprehensive insight into the system dynamics. In this work, the overall FRT method for uVOC is presented and a comprehensive modeling and analysis method for transient stability is developed under both current-saturated and unsaturated symmetrical AC faults. We utilize phase-plane analysis of the overall system in a single graphical representation to obtain holistic insights into the coupled voltage and power angle dynamics. The FRT controller and the analysis method have been validated through simulations and hardware experiments. The results demonstrate that uVOC is not constrained by a critical clearing angle unlike droop and virtual synchronous machine (VSM) type second order controllers.

研究动机与目标

• 解决在同时存在电压与功角动态时，基于振荡器的并网型构网型变换器缺乏全面暂态稳定分析的问题。
• 为uVOC型变换器在对称性交流故障下，构建电流受限与非受限的统一建模与分析方法。
• 克服传统分离分析方法将功角与电压动态分别处理所导致的局限性。
• 通过仿真与硬件实验验证所提出的FRT控制器与分析框架。
• 证明uVOC在电流饱和情况下仍能保持暂态稳定，且不受临界清除角约束。

提出的方法

• 建立uVOC型变换器系统在对称性交流故障下的完整动态模型，涵盖电流饱和与非饱和两种情况。
• 提出一种新型的相平面分析方法，利用$̅{x}-x$曲面在单一三维图形表示中可视化电压（$V$）与功角（$\delta$）的耦合动态。
• 在uVOC控制器中集成故障管理子系统，生成开关信号$x_f$与$x_r$，实现正常运行与电流受限运行模式之间的切换。
• 采用一阶非线性时域控制器结构，将电流参考值生成嵌入同步振荡器中，避免内环电压/电流环饱和。
• 通过电磁暂态仿真与单相等效系统（额定值按比例缩放）的硬件实验，验证模型与分析方法。
• 应用大信号非线性分析方法，评估在严重故障条件下的稳定性，包括电流饱和故障期间的极限环行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电流受限故障期间，耦合的电压与功角动态如何影响uVOC型变换器的暂态稳定性？
• RQ2 统一的相平面分析方法能否有效捕捉在电流饱和与非饱和故障条件下电压与功角的整体动态？
• RQ3 uVOC是否在电流饱和情况下仍能保持暂态稳定，且不受临界清除角约束？
• RQ4 所提出的FRT控制器在严重电压跌落与过流条件下的硬件表现如何？
• RQ5 当故障期间不存在平衡点时，系统行为如何，特别是极限环振荡特性如何？

主要发现

• 所提出的$̅{x}-x$相平面分析方法提供了一种整体性的、单一图形化的电压与功角耦合动态表示，克服了传统分离分析方法的局限性。
• uVOC型变换器在电流受限与非受限故障下均无临界清除角约束，与二阶下垂或VSM控制器不同。
• 硬件实验确认，在0.5 p.u.电压跌落情况下，变换器进入电流限制运行，端电压提升至0.64 p.u.，并保持稳定。
• 在0.6 p.u.电压跌落情况下，变换器保持在电流限值内，端电压上升至0.94 p.u.，并在故障清除后恢复正常运行。
• 在严重故障条件（0.5 p.u.电压跌落）下，观察到周期约为400 ms的极限环响应，证实了稳定平衡点的缺失。
• 故障清除后，系统在约一个工频周期内迅速恢复至正常运行，展示了强大的故障穿越能力。