電力電子換流器的慣性與穩定性分析

2021-02-25 中國電機工程學報

(1)振蕩與慣性方程:

事物振蕩的源泉之一是慣性。慣性可以由振蕩源(如轉子)提供也可以由多者耦合提供(如LC電路)。慣性的物理解釋為:當某狀態變量x(如電壓、電流、功角、溫度等)經過平衡點時,由於僅xi加速度等於0,但是速度不等於0,從而引起過衝現象導致偏差 Dxi激勵了耦合系統的再次調節,因此慣性導致了耦合系統的平衡點和被控對象x的平衡點不同步,引起系統振蕩。如式(1),本文將第二項方程稱為該元件的慣性方程。

傳統振蕩的慣性方程如式(2)所示:

不同元件的慣性方程具有統一的二階齊次微分方程形式,反映了慣性元件的狀態量在平衡點處的動態響應。該方程直觀反映元件的慣量(頻率)和衰減數(阻尼)。本文試圖推導電壓源型換流器也具有相同的二階微分方程。

(2)RSC換流器的慣性方程:

論文以雙饋風機轉子側換流器為例,推導電壓源型換流器的慣性方程,RSC控制結構如下圖1所示。

圖1  RSC換流器的控制結構

通過電機繞組與RSC內環合併,交叉耦合項消除,dq軸解耦,忽略PWM調控的情況下,RSC有功控制結構如圖2所示。

圖2 有功控制結構

為保持與式(2)的數學統一性,借鑑同步電機2階模型,忽略繞組電磁動態,只保留轉子運動方程。本文忽略電機轉子繞組電磁動態,只保留RSC內外環(RSC類比轉子充當振蕩源),當雙饋風機採用定磁鏈控制時,RSC輸出量轉子電流irq滿足如式(3)所示方程。

其中:

顯然RSC輸出量irq滿足慣性方程式(1),同時與傳統慣性方程式(2)一致,皆為二階齊次線性方程。但由於RSC等價慣性值(K1、K2的分母)與參量p有關,即與穩態運行點有關。所以RSC慣性方程為變係數微分方程,因而RSC主導的振蕩頻率呈時變特性。

(3)RSC與儲能元件的慣性統一性:

傳統的慣性(儲能元件)表現為能量的先存儲再釋放所引起的輸出滯後於輸入的一種滯後現象。電感元件具有磁場慣性,所以電感元件的電流先存儲再釋放,導致電流滯後電壓90°;電容元件具有電場慣性,所以電容的電壓先存儲再釋放,導致電壓滯後電流90°。RSC換流器的慣性體現為輸出控制量滯後於輸入量而引起的滯後現象。RSC與儲能元件的統一性表現為均具有滯後效應。

由圖1的RSC控制器結構可知,外環PI使轉子電流指令值irqref滯後於Ps;內環PI使得轉子電壓指令值urqref滯後於轉子電流指令值irqref;忽略PWM和轉子繞組電磁過程後,可認為urqref與irq同步。所以輸出量irq滯後輸入量Ps為2階滯後。

(4)RSC換流器穩定判據:

依據RSC換流器的慣性方程,推導出其簡化的穩定判據為:

當外部輸電線電感併入風機定子電感時,串補度增加使Ls減小,相同輸送功率Ps0下,轉子電流穩態值irq0減小。故,由式(4)可知串補度增加會縮小RSC的穩定域。時域仿真如圖3所示。  

圖3 時域仿真驗證

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