混合级联直流输电系统整流逆变不同控制回路动态交互作用与稳定性研究

1、研究背景混合级联高压直流输电系统整合了LCC和MMC的技术经济优势，采用整流侧由LCC串联，逆变侧由LCC与多个MMC组串联的级联多端形式。随着送受端电网新能源占比增加，传统电源逐步减少，交流系统强度逐渐降低，在联接弱电网工况下，LCC和MMC均有可能引发系统振荡现象；然而，混合级联系统多个换流器之间串并联耦合，不同控制回路间交互作用下的振荡模式特征及机理尚不清晰，因此有必要深入研究混合级联直流输电系统整流/逆变各换流器不同控制回路间的交互作用机理及其与系统稳定性的关系。2、论文解决问题及意义

该文建立了混合级联直流输电系统的状态空间模型，推导了系统的多输入–多输出传递函数模型；针对不同的研究目标，根据单通道分析设计理论建立等效单输入–单输出反馈控制模型。在此基础上分离出不同控制回路的耦合控制通道，定量评估系统强度、逆变侧交流联络线与控制参数等对控制回路间交互作用的影响。研究发现，当整流侧或逆变侧交流系统强度降低时，两侧控制回路间交互作用增强；当交流联络线长度缩短时，逆变侧LCC和MMC控制回路间的动态交互增强，各控制环节参数之间存在相互制约的关系。该研究可为揭示混合级联直流输电系统的振荡机理及其运行控制提供重要的参考依据。

3、论文重点内容1）交流系统强度及交流联络线对LCC与MMC定电压控制交互作用的影响。针对联络线长度为100km的混合级联系统，分别设置了3组不同短路比组合工况，获得逆变侧LCC和MMC的定直流电压控制器参数KpUdc_LCC和KpUdc_MMC增大时系统的根轨迹如图1和图2所示。由图可知，随着KpUdc_LCC和KpUdc_MMC的增大，主导模态靠近虚轴，系统稳定性减弱。逆变侧SCR越低的工况下，系统的主导模态距离虚轴越近，使系统失稳的控制参数临界值也越小。图1

不同短路比工况下KpUdc_LCC变化时系统的根轨迹图2

不同短路比工况下KpUdc_MMC变化时系统的根轨迹通过主导模式振荡频率附近的交互作用因子可以定量评估两个控制回路的交互作用大小，不同短路比工况和不同联络线长度下的交互作用因子分别如图3和图4所示。由图可知，随着逆变侧SCR的降低，逆变侧LCC和MMC的定电压控制环路交互作用因子的幅值增大，二者的交互作用逐渐增强；弱电网工况下，随着交流联络线长度缩短，逆变侧LCC与MMC定电压控制的交互作用逐渐增强。图3

不同短路比工况下逆变侧LCC与MMC定电压控制交互作用图4

不同联络线长度下逆变侧LCC与MMC定电压控制交互作用2）交流系统强度对整流侧定电流控制与逆变侧LCC/MMC定电压控制交互作用的影响。通过交互作用因子可以定量评估不同短路比工况下逆变侧LCC定电压控制和整流侧LCC定电流控制回路交互作用大小如图5所示，评估逆变侧MMC定电压控制与整流侧LCC定电流控制间的交互作用大小如图6所示。由图可知，整流侧LCC的定电流控制与逆变侧LCC的定电压控制环路交互作用因子更大，表明整流侧LCC与逆变侧LCC的交互作用比与MMC的交互作用更强。当整流侧或逆变侧SCR减小时，交互作用因子幅值均增大，说明在弱电网工况下，整流侧LCC与逆变侧LCC/MMC的交互作用增强。图5

不同短路比工况下整流侧LCC定电流控制与逆变侧LCC定电压控制交互作用图6

不同短路比工况下整流侧LCC定电流控制与逆变侧MMC定电压控制交互作用3）各控制参数可行域的相互制约关系。在3组不同短路比工况下分别计算得到了3种控制参数组合下的参数可行域如图7~9所示。由图可知，各控制参数之间存在相互制约关系，一组控制参数的取值增大会限制其他控制参数的可行范围；当SCR减小时，3种控制参数组合下的参数可行域范围均明显缩小。图7

不同短路比工况下KpUdc_LCC和KpUdc_MMC可行域图8

不同短路比工况下KpUdc_LCC与KpIdc_r的可行域图9

不同短路比工况下下KpUdc_MMC与KpIdc_r的可行域4、结论通过建立混合级联直流输电系统的等效SISO反馈模型，分离出不同控制回路的耦合控制通道，定量评估了短路比、交流联络线长度等因素对控制回路间交互作用的影响，得到如下结论：1）混合级联直流输电系统的整流侧LCC定电流控制回路、逆变侧LCC和MMC定电压控制回路之间存在交互作用，在弱电网工况下各控制环节的动态交互作用较强。2）在逆变侧联接弱电网时，逆变侧LCC和MMC定电压控制回路动态交互作用增强，两控制环节参数存在相互制约关系；交流联络线长度缩短会使逆变