计及电力电子变换器动态特性的交直流混联电网稳定性分析与控制策略研究

能源结构调整和电力系统升级，让交直流混联电网成为现代电力系统发展的一个重要趋势。近年来，风电、光伏这类新能源大规模接入电网，同时特高压直流输电技术得以广泛应用，二者共同推动原本的传统交流电网朝着交直流混联形态转变。在这个转变过程里，电力电子变换器作为连接交直流系统并且实现能量转换的核心设备，它的作用变得越来越关键。高压直流输电中的换流器以及新能源发电用的逆变器，这些设备的动态特性会直接对电网稳定运行产生影响。

传统电力系统稳定性分析方法主要依靠以同步发电机为主的交流电网模型，没办法准确描述电力电子变换器引入之后出现的复杂动态行为。很多研究把变换器简单当作理想电压源或者电流源，没有考虑其内部控制环路的动态响应特性。这种简化方法在新能源占比较低的时候还能使用，不过随着变换器设备在电网中所占比例增加，其动态特性对系统稳定性的影响变得更加明显。例如变换器在电网受到扰动时快速响应可能会引发次同步振荡、高频谐波等问题，而用传统稳定性分析方法很难充分捕捉到这些现象。

针对这些情况，国内外学者已经开展了相关研究。在变换器建模领域，有研究提出了详细的小信号模型和电磁暂态模型，然而这类模型和大规模电网稳定性分析相结合还存在困难。在稳定性分析方法方面，传统特征值分析和时域仿真在处理高阶变换器模型时，需要在计算效率和精度之间进行平衡。所以本文重点研究建立考虑电力电子变换器动态特性的交直流混联电网稳定性分析框架，并且探索相应的控制策略。

这项研究既有重要的理论价值，也有实际工程应用意义。深入分析变换器动态特性对电网稳定性产生影响的机理，能够为交直流混联电网的规划设计以及运行控制提供理论依据。具体的研究内容包含三个部分：第一是构建电力电子变换器的精细化动态模型；第二是提出适合交直流混联电网的稳定性分析方法；第三是设计能够提升系统稳定性的协调控制策略。全文会按照下面的结构来展开：首先阐述交直流混联电网的基本特征以及研究背景，然后详细分析变换器动态特性以及它对稳定性产生的影响，接着提出改进后的稳定性分析方法，最后通过仿真验证所提出的控制策略是否有效。这一研究不但有助于加深对现代电力系统稳定性的认识，还为实际工程中的稳定性保障提供了技术方面的支持。

分析交直流混联电网稳定性，电力电子变换器动态特性建模是关键基础。这类变换器连接交流与直流电网，其动态表现直接影响整个系统稳定状态。常见的变换器有电网换相换流器高压直流输电（LCC - HVDC）、电压源换流器高压直流输电（VSC - HVDC）以及新能源并网逆变器等。这些设备靠高频开关操作转换电能形式，其动态特性和开关过程有关，也受控制环节（如PI控制器、锁相环PLL）及外部电网耦合效应影响。

对LCC - HVDC换流器动态特性建模，要考虑晶闸管开关导通原理和电网电压同步关系。在开关模型里，换流器的瞬时状态用下面微分方程表示：$L$s \frac{dia}{dt} + Rs ia = ua - u{dc} \cdot Sa 这里的$L$s代表交流侧等效电感，$R$s代表交流侧等效电阻，$u$a是交流相电压，$u${dc}是直流电压，$S$a是开关函数，取值为0或者1。平均模型通过对开关周期进行积分运算简化得出：$L$s \frac{d\overline{ia}}{dt} + Rs \overline{ia} = ua - \frac{3}{2}m u{dc} \cos(\theta - \delta) 其中$m$是调制度，$\delta$是触发角。把这两种模型进行比较，开关模型精度比较高，不过计算过程很复杂；平均模型更适合进行系统级的稳定性分析。

分析VSC - HVDC换流器和新能源并网逆变器的动态特性，要重点关注控制环路的耦合影响。以dq坐标系下的VSC来说，其功率外环和电流内环的PI控制方程如下：$\frac{di$d}{dt} = \frac{1}{L} \left( ud - R id + \omega L iq - Sd u{dc} \right) $\frac{di$q}{dt} = \frac{1}{L} \left( uq - R iq - \omega L id - Sq u{dc} \right) 锁相环（PLL）提供的相位角$\theta${pll}会直接影响dq解耦控制的精度。在建模的时候，需要把PLL的二阶动态方程（$\ddot{\theta}${pll} + 2\zeta\omegan \dot{\theta}{pll} + \omegan^2 \theta{pll} = kp e{pll} + ki \int e{pll} dt）加入到系统状态空间里面。

为了验证模型的准确性，可以采用硬件在环（HIL）仿真来进行对比。比如通过RT - LAB平台搭建VSC - HVDC系统，然后比较平均模型和开关模型在暂态过程中直流电压的波动误差。从实际测试能够知道，当扰动频率低于开关频率的十分之一时，平均模型的误差能够控制在5%以内，这样的情况是符合稳定性分析要求的。开关模型能够准确地反映高频谐波情况，然而其计算效率只有平均模型的二十分之一，所以不适合用于大规模电网仿真。

在交直流混联电网当中，对电力电子变换器进行动态建模需要按照具体的分析目标来选择合适的方法。要是进行系统级的稳定性分析，比较适合采用平均模型并且结合控制环节；要是开展局部暂态研究，那么可以选用开关模型。通过HIL仿真和现场测试进行交叉验证，就能够保证模型在实际工程应用当中具有可靠性。

文章聚焦计及电力电子变换器动态特性的交直流混联电网，对其稳定性分析方法和控制策略展开系统研究。研究过程中建立起适用于多时间尺度动态特性的变换器模型，将变换器影响电网稳定性的内在机制揭示出来，并且提出对应的控制策略，为让交直流混联电网能够更加安全稳定地运行提供了理论和技术方面的支持。

研究成果体现在几个地方。构建出兼顾电磁暂态与机电暂态时间尺度的电力电子变换器统一动态模型，这个模型把状态空间平均法和小信号线性化技术结合起来，能够精确描述变换器内部动态过程，为后续开展稳定性分析工作奠定基础。基于此模型研究进一步揭示出变换器动态特性对交直流混联电网低频振荡、次同步振荡等稳定性问题起到主导作用的规律，还明确了变换器控制参数、电网拓扑结构与运行方式相互之间存在的耦合关系。

针对研究里发现的问题，设计出一种基于自适应阻尼的控制策略，该控制策略可以通过在线调整控制环参数，有效抑制变换器引发的宽频振荡现象，让系统动态响应性能得到提升。

研究有三个创新的地方。提出计及变换器多时间尺度动态特性的分析框架，这个框架突破传统单一时间尺度分析存在的局限。建立变换器动态特性与电网稳定性之间的量化关联模型，为复杂电网稳定性评估提供新的思考方向。开发出具备参数自适应能力的协调控制策略，该策略显著增强系统在多工况下的鲁棒性。

研究存在一些局限。在进行模型构建的时候没有充分考虑多个变换器相互之间存在的复杂交互影响，所提出的控制策略仅仅在单变换器或者小规模系统当中得到验证，对于大规模交直流混联电网的全部应用场景是否适用还需要进一步开展检验工作。另外研究对实际系统中测量噪声、参数不确定性等并非理想状态的因素考虑得不够周全，这有可能会对理论分析结果在实际工程当中的应用效果产生影响。

未来研究可以朝着以下方向进行深入探索。一是去探索基于数据驱动的稳定性分析方法，把深度学习方法和实时监测得到的数据结合起来，实现对复杂电网动态特性进行精准感知以及快速评估。二是去开发具备自学习能力的自适应控制策略，让这种策略能够依据系统运行状态的变化自动对控制参数进行优化调整。三是开展针对多变换器交互影响的全场景仿真验证工作，结合实际电网的数据来完善模型以及控制策略在实际工程中的应用。四是研究新型电力电子装备对电网稳定性起到的协同作用机制，以此推动高比例新能源电力系统的技术创新发展。不断推进这些研究内容的开展，将会为构建更加安全、高效、灵活的未来电网提供重要的技术支撑条件。