[论文解读] Understanding the Nonlinear Behavior and Frequency Stability of a Grid-synchronized VSC Under Grid Voltage Dips

Chen Zhang, Marta Molinas+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2018

Microgrid Control and Optimization参考文献 26被引用 3

一句话总结

本文通过分别解耦并分析功率控制环路（PCL）和锁相环（PLL）的动力学，研究了电网电压跌落期间电网同步电压源换流器（VSC）的非线性动力学与频率稳定性。研究发现，故障条件下PLL的非线性会导致频率不稳定，且表明控制器带宽和PQ调节对暂态稳定性有显著影响，该结论通过采用开关模型的详细PSCAD/EMTDC仿真得到验证。

ABSTRACT

Transients of a grid-synchronized voltage source converter (VSC) are closely related to over- currents and voltages occurred under large disturbances (e.g. a grid fault). Previous analysis in evaluating these transients usually neglect the nonlinear control effects of a VSC (e.g. phase-locked-loop, PLL). Therefore, potential stability issues related with nonlinear dynamics cannot be revealed properly. This work aims to move further in this respect. To better analyze and gain more insights into the nonlinear properties, dynamical analysis of a grid-tied VSC is conducted by parts. Specifically, the nonlinear behaviors of VSC power control loop (PCL) are firstly analyzed, in which the dynamics of PLL are assumed steady. Then, the nonlinear behaviors of PLL-dominant dynamics are further explored in detail, where the PCL is assumed steady. In this case, frequency instability and the mechanisms behind it are revealed. At last, effects of PQ controller regulation as well as controller bandwidth on the frequency stability are discussed. All the analysis and conclusions are verified by time domain simulations in PSCAD/EMTDC, where a switching model of VSC is adopted.

研究动机与目标

• 解决线性化模型在捕捉电网故障期间暂态行为方面的局限性。
• 识别并分析非线性控制动力学（特别是PLL）在电压跌落条件下引起频率不稳定的作用。
• 研究PQ控制器调节与带宽如何影响大扰动下电网同步VSC的稳定性。
• 提供一种系统化的动力学分析框架，将PCL与PLL动力学分离，以深入理解不稳定机理。

提出的方法

• 通过假设PCL处于稳态而分析以PLL为主导的动力学，反之亦然，实现解耦的动力学分析。
• 利用分岔分析与非线性系统理论，研究PLL子系统中不稳定性出现的机制。
• 在PSCAD/EMTDC中采用详细的开关模型对VSC进行建模，以模拟实时故障条件。
• 分析电压跌落场景下有功与无功功率控制环路与PLL之间的相互作用。
• 通过时域仿真评估控制器带宽与PQ调节对频率稳定性的影响。
• 利用高保真的电磁暂态仿真（采用完整的VSC模型）验证分析结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电网电压跌落期间，VSC的功率控制环路中会出现哪些非线性行为，它们如何影响系统稳定性？
• RQ2 在故障条件下，锁相环（PLL）如何导致频率不稳定，其背后的非线性机理是什么？
• RQ3 PQ控制器调节对电网同步VSC的暂态频率响应有何影响？
• RQ4 控制器带宽如何影响稳定性裕度与动态性能？

主要发现

• PLL中的非线性动力学，特别是在电压跌落条件下，即使在线性模型表明系统稳定时，仍可能导致持续的频率振荡与不稳定。
• 研究表明，PLL的非线性行为是频率不稳定的主要来源，分岔点表明在特定故障条件下系统会失去稳定性。
• 控制器带宽显著影响暂态响应；较低带宽会因PLL同步延迟而增加不稳定风险。
• PQ控制器调节在抑制振荡中起关键作用，不当整定可能加剧频率不稳定。
• PSCAD/EMTDC中的时域仿真验证了分析预测，准确复现了包括频率振荡在内的非线性暂态行为。
• 解耦分析方法成功隔离并识别出主导的不稳定机理，为针对性的控制器设计改进提供了支持。