Iterative Solving and Morphological Analysis of Small-signal Stability Region for Hybrid AC/DC System with MMC-HVDC

CAO Jingming; DONG Chaoyu; WANG Rui; MU Yunfei; XIAO Qian; JIA Hongjie

doi:10.7500/AEPS20230615004

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Iterative Solving and Morphological Analysis of Small-signal Stability Region for Hybrid AC/DC System with MMC-HVDC

Basic Research | 更新时间：2025-06-16

- Iterative Solving and Morphological Analysis of Small-signal Stability Region for Hybrid AC/DC System with MMC-HVDC
- Automation of Electric Power Systems Vol. 48, Issue 16, Pages: 40-50(2024)
- 作者机构：
  
  1.智能电网教育部重点实验室（天津大学），天津市 300072
  2.东北大学信息科学与工程学院，辽宁省沈阳市 110819
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52061635103)
- DOI：10.7500/AEPS20230615004
  CLC：
- Received：15 June 2023，
  
  Revised：2023-10-27，
  
  Published Online：15 March 2024，
  
  Published：25 August 2024
- 稿件说明：
移动端阅览
曹靖洺,董朝宇,王睿等.MMC-HVDC交直流混联系统小扰动稳定域迭代求解和形态分析[J].电力系统自动化,2024,48(16):40-50.

CAO Jingming,DONG Chaoyu,WANG Rui,et al.Iterative Solving and Morphological Analysis of Small-signal Stability Region for Hybrid AC/DC System with MMC-HVDC[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(16):40-50.
曹靖洺,董朝宇,王睿等.MMC-HVDC交直流混联系统小扰动稳定域迭代求解和形态分析[J].电力系统自动化,2024,48(16):40-50. DOI： 10.7500/AEPS20230615004.

CAO Jingming,DONG Chaoyu,WANG Rui,et al.Iterative Solving and Morphological Analysis of Small-signal Stability Region for Hybrid AC/DC System with MMC-HVDC[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(16):40-50. DOI： 10.7500/AEPS20230615004.

摘要

随着高压直流输电技术的发展，区域电力系统将拓展为大规模交直流混联系统。因此，需要建立可以同时精确刻画交直流动态的大规模交直流混联系统模型来研究混联系统的动态与稳定性。文中考虑了交流侧和直流侧的详细动态，建立了异步联网的模块化多电平换流器型高压直流（MMC-HVDC）交直流混联系统的状态空间模型，给出了具体的解析解形式，并推导了多重迭代信赖域算法。所提算法建立了决策变量空间内的点与平衡点的映射关系，结合Hopf分岔识别边界，提出了一种多重迭代求解小扰动稳定域边界的方法。在利用Simulink仿真验证模型准确性后，以发电机出力作为决策变量绘制了交直流混联系统稳定域，利用特征根和参与因子定量研究了直流失稳和交流失稳的机理以及控制策略和控制参数对稳定域边界的影响。对比分析了多区域的混联系统与交流系统的稳定域，结果表明换流站和直流网络的引入可能使多区域系统稳定域边界呈现多约束共同决定的近似分段线性拓扑特性。

Abstract

With the development of HVDC transmission technology

regional power systems will expand into large-scale hybrid AC/DC systems. Therefore

it is necessary to build a large-scale hybrid AC/DC system model that is able to accurately depict both AC and DC dynamics to study the dynamics and stability of the hybrid system. Considering the detailed dynamics from both AC and DC sides

this paper establishes a state-space model of the asynchronously interconnected hybrid AC/DC system with modular multilevel converter based high voltage direct current (MMC-HVDC). The specific analytic solution form is given and a multi-layer iterative trust-region algorithm (MITRA) is derived. The proposed algorithm builds the mapping relation between the points in the decision variable space and the equilibrium points. Combining with the boundary identification based on the Hopf bifurcation

this paper proposes a multi-iteration method for solving the small-signal stability region boundary. After verifying the model accuracy by using the Simulink simulation

the stability region of the hybrid AC/DC system is plotted with the generator output as the decision variable. By using the eigenvalues and participation factors

the mechanisms of DC instability and AC instability as well as the influences of control strategies and parameters on the region boundary are all quantitatively studied. The stability regions of the multi-region hybrid system and the AC system are compared and analyzed. The results show that the introduction of the converter station and the DC network may cause the stability region boundary of the multi-region system to present an approximate piecewise linear topology characteristic determined by multiple constraints.

关键词

Keywords

references

ENDEGNANEW A G ， BERGNA-DIAZ G ， UHLEN K . Avoiding AC/DC grid interaction in MMC based MTDC systems ［C］// 2017 Twelfth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies （EVER）， April 11-13 ， 2017 ， Monte Carlo， Monaco .

ZHANG L ， UNIVERSITY A S ， ZOU Y T ， et al . Modeling， control， and protection of modular multilevel converter-based multi-terminal HVDC systems： a review ［J］. CSEE Journal of Power and Energy Systems ， 2017 ， 3 （ 4 ）： 340 - 352 .

JI K ， TANG G F ， YANG J E ， et al . Harmonic stability analysis of MMC-based DC system using DC impedance model ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2020 ， 8 （ 2 ）： 1152 - 1163 .

DONG C Y ， YANG S F ， JIA H J ， et al . Padé-based stability analysis for a modular multilevel converter considering the time delay in the digital control system ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2019 ， 66 （ 7 ）： 5242 - 5253 .

贾宏杰，陈建华，余晓丹 . 时滞环节对电力系统小扰动稳定性的影响［J］. 电力系统自动化， 2006 ， 30 （ 5 ）： 5 - 8 .

JIA Hongjie ， CHEN Jianhua ， YU Xiaodan . Impact of time delay on power system small signal stability ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2006 ， 30 （ 5 ）： 5 - 8 .

曹靖洺，董朝宇，肖迁，等 . 考虑控制与通信多成分时滞的多端MMC-HVDC信息物理系统统一建模与互联稳定性分析［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 10 ）： 3547 - 3560 .

CAO Jingming ， DONG Chaoyu ， XIAO Qian ， et al . State modeling and stability analysis of the multi-terminal MMC-HVDC cyber-physical system considering the control and communication delay ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 10 ）： 3547 - 3560 .

CAO J M ， DONG C Y ， YU X D ， et al . Modelling and stability assessment of the MMC-HVDC energy interconnected system with the cyber delay of communication network ［J］. IET Energy Systems Integration ， 2021 ， 3 （ 1 ）： 86 - 98 .

ZHAO W Z ， ZHENG J H ， HAN Z H ， et al . Large-disturbance stability analysis method based on mixed potential function for AC/DC hybrid distribution network with PET ［J］. IET Generation ， Transmission & Distribution， 2020 ， 14 （ 18 ）： 3802 - 3813 .

李杭泽，戴志辉，石旭，等 . 计及控制响应的多端混合直流输电系统短路电流近似计算方法［J/OL］. 电工技术学报［ 2023-06-15 ］. https：//kns.cnki.net/kcms2/detail/11.2188.TM.20230615.1339.002.html https://kns.cnki.net/kcms2/detail/11.2188.TM.20230615.1339.002.html .

LI Hangze ， DAI Zhihui ， SHI Xu ， et al ． Approximate calculation method of short-circuit current of multi-terminal hybrid DC transmission system considering control strategy ［J/OL］. Transactions of China Electrotechnical Society ［ 2023-06-15 ］. https：//kns.cnki.net/kcms2/detail/11.2188.TM.20230615.1339.002.html https://kns.cnki.net/kcms2/detail/11.2188.TM.20230615.1339.002.html .

薛翼程，王国腾，张哲任，等 . MMC-HVDC接入对同步发电机阻尼转矩的影响机理分析［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 9 ）： 99 - 108 .

XUE Yicheng ， WANG Guoteng ， ZHANG Zheren ， et al . Mechanism analysis of influence of MMC-HVDC integration on damping torque of synchronous generators ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 9 ）： 99 - 108 .

MAIHEMUTI S ， WANG W Q ， WANG H Y ， et al . Voltage security operation region calculation based on improved particle swarm optimization and recursive least square hybrid algorithm ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2021 ， 9 （ 1 ）： 138 - 147 .

LIU Y S ， HUANG M ， TSE C ， et al . Stability and multiconstraint operating region of grid-connected modular multilevel converter under grid phase disturbance ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 11 ）： 12551 - 12564 .

DONG C Y ， XIAO Q A ， KOH L H ， et al . Equilibrium point analysis for the MMC-HVDC system with trust-region algorithm ［C］// 2018 Asian Conference on Energy， Power and Transportation Electrification （ACEPT）， October 30-November 2 ， 2018 ， Singapore.

姜涛，李雪，李国庆，等 . 含多端柔性直流的交直流电力系统静态电压稳定域构建方法［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 7 ）： 1746 - 1759 .

JIANG Tao ， LI Xue ， LI Guoqing ， et al . A predictor-corrector algorithm for forming voltage stability region of hybrid AC/DC power grid with inclusion of VSC-MTDC ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 7 ）： 1746 - 1759 .

郭春义，彭意，徐李清，等 . 考虑延时影响的MMC-HVDC系统高频振荡机理分析［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 22 ）： 119 - 126 .

GUO Chunyi ， PENG Yi ， XU Liqing ， et al . Analysis on high-frequency oscillation mechanism for MMC-HVDC system considering influence of time delay ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 22 ）： 119 - 126 .

CAO J M ， DONG C Y ， YU X D ， et al . Modeling and Rekasius substitution stability analysis of the multi-terminal MMC-HVDC cyber-physical system ［C］// 2021 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE）， October 10-14 ， 2021 ， Vancouver， Canada ： 3388 - 3394 .

LI Y F ， AN T ， ZHANG D ， et al . Analysis and suppression control of high frequency resonance for MMC-HVDC system ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2021 ， 36 （ 6 ）： 3867 - 3881 .

郑泽天，沈沉，严鋆，等 . 直驱风电场多电压源型变流器控制耦合引发振荡的机理分析［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 17 ）： 14 - 26 .

ZHENG Zetian ， SHEN Chen ， YAN Jun ， et al . Mechanism analysis of oscillations induced by control coupling of voltage source converters in wind farms with direct-driven turbines ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 17 ）： 14 - 26 .

LIU Y ， LIN Z H ， XIAHOU K S ， et al . Equivalent hamiltonian equations modelling and energy function construction for MMC-HVDC in hybrid AC/DC power systems ［J］. CSEE Journal of Power and Energy Systems ， 2021 ， 7 （ 4 ）： 821 - 831 .

刘昊宇，刘崇茹，董浩云 . 含风电场的MMC-MTDC系统通用频率响应模型［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 5 ）： 123 - 133 .

LIU Haoyu ， LIU Chongru ， DONG Haoyun . General frequency response model of MMC-MTDC system integrated with wind farms ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 5 ）： 123 - 133 .

DU W J ， FU Q A ， WANG H F . Strong dynamic interactions between multi-terminal DC network and AC power systems caused by open-loop modal coupling ［J］. IET Generation ， Transmission & Distribution， 2017 ， 11 （ 9 ）： 2362 - 2374 .

徐李清，郭春义，杨硕 . 联接低惯量交流系统的MMC与发电机之间的低频交互振荡模式研究［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 9 ）： 3402 - 3415 .

XU Liqing ， GUO Chunyi ， YANG Shuo . Research on low frequency interactive oscillation mode between generator and MMC connected to low inertia AC system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 9 ）： 3402 - 3415 .

李探， GOLE A M ，赵成勇 . 考虑内部动态特性的模块化多电平换流器小信号模型［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 11 ）： 2890 - 2899 .

LI Tan ， GOLE A M ， ZHAO Chengyong . Small-signal model of the modular multilevel converter considering the internal dynamics ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 11 ）： 2890 - 2899 .

樊伟萍 . 粒子群算法研究及其在模糊聚类中的应用［D］. 兰州：兰州交通大学， 2021 .

FAN Weiping . Particle swarm optimization algorithm and its application in fuzzy clustering algorithm ［D］. Lanzhou ： Lanzhou Jiatong University ， 2021 .

刘黎，蔡旭，俞恩科，等 . 舟山多端柔性直流输电示范工程及其评估［J］. 南方电网技术， 2019 ， 13 （ 3 ）： 79 - 88 .

LIU Li ， CAI Xu ， YU Enke ， et al . Zhoushan multi-terminal VSC-HVDC transmission demonstration project and its evaluation ［J］. Southern Power System Technology ， 2019 ， 13 （ 3 ）： 79 - 88 .

XU D ， GOLE A M ， HAN M X . The study of the adverse impact of Ac background harmonics on a MMC multi-terminal HVDC system ［C］// 13th IET International Conference on AC and DC Power Transmission （ACDC 2017 ）， February 14-16 ， 2017 ， Manchester， UK .

贾宏杰，卞海波，李鹏 . 调度方式和负荷水平对小扰动稳定域的影响［J］. 电网技术， 2006 ， 30 （ 14 ）： 19 - 23 .

JIA Hongjie ， BIAN Haibo ， LI Peng . Impact of load increase and generation dispatch on small signal stability region ［J］. Power System Technology ， 2006 ， 30 （ 14 ）： 19 - 23 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Arm Energy Compensation Based Model Predictive Control Strategy for Modular Multilevel Converter Under Low-frequency Condition

MMC电容能量对交流系统惯量支撑能力分析

用于大规模新能源架空线路送出的储能型柔性直流输电系统

Related Author

YANG Xingwu

YANG Zhenwen

WANG Yani

JIANG Youhua

ZHANG Yuhua

SONG Jinfeng

LIN Junjie

ZHANG Haobo

Related Institution

College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power

College of Electronics and Information Engineering, Shanghai University of Electric Power

Shanghai Electric Group Co., Ltd.

School of Electric Power, South China University of Technology

⁰