Matrix Dimensionality Reduction for Stability Analysis of Modular Multilevel Converters Under Asymmetric Conditions

WANG Juanjuan; WANG Zehao; LIU Yuekun; FENG Junjie; FU Chuang

doi:10.7500/AEPS20230728002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Matrix Dimensionality Reduction for Stability Analysis of Modular Multilevel Converters Under Asymmetric Conditions

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- Matrix Dimensionality Reduction for Stability Analysis of Modular Multilevel Converters Under Asymmetric Conditions
- Automation of Electric Power Systems Vol. 48, Issue 13, Pages: 147-159(2024)
- 作者机构：
  
  1.华南理工大学电力学院,广东省广州市 510641
  2.直流输电技术全国重点实验室(中国南方电网科学研究院有限责任公司),广东省广州市 510663
  3.强电磁技术全国重点实验室(华中科技大学)湖北省武汉市 430074
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52277102);National Key R&D Program of China(2023YFB2405900)
- DOI：10.7500/AEPS20230728002
  CLC：
- Received：28 July 2023，
  
  Revised：2023-11-14，
  
  Published Online：28 March 2024，
  
  Published：10 July 2024
- 稿件说明：
移动端阅览
汪娟娟,王泽昊,刘岳坤等.不对称工况下模块化多电平换流器稳定性分析的矩阵降维[J].电力系统自动化,2024,48(13):147-159.

WANG Juanjuan,WANG Zehao,LIU Yuekun,et al.Matrix Dimensionality Reduction for Stability Analysis of Modular Multilevel Converters Under Asymmetric Conditions[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(13):147-159.
汪娟娟,王泽昊,刘岳坤等.不对称工况下模块化多电平换流器稳定性分析的矩阵降维[J].电力系统自动化,2024,48(13):147-159. DOI： 10.7500/AEPS20230728002.

WANG Juanjuan,WANG Zehao,LIU Yuekun,et al.Matrix Dimensionality Reduction for Stability Analysis of Modular Multilevel Converters Under Asymmetric Conditions[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(13):147-159. DOI： 10.7500/AEPS20230728002.

摘要

模块化多电平换流器(MMC)在对称工况下的建模与稳定性分析已经得到了广泛关注。实际工程中的MMC会处于不对称运行工况，如桥臂电感不对称、交流侧电压不对称等，不对称工况下的导纳建模与稳定性分析需要进一步展开研究。目前，考虑系统多频耦合的导纳模型与定量的导纳降维方法是不对称工况稳定性分析的难点。因此，文中主要建立了适用于不对称工况的MMC导纳模型，并对适用于MMC不对称工况下小扰动稳定性分析的矩阵降维方法展开研究。该降维方法基于导纳矩阵的向量范数，适用于“黑箱”系统及各种不对称工况，可定量评估各阶导纳矩阵的降维误差量。以中国鲁西背靠背异步联网工程广西侧为例，通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真验证了所建模型的准确性及所提降维方法在多种不对称工况下的适用性。

Abstract

The modeling and stability analysis of modular multilevel converter (MMC) under symmetric conditions has received extensive attention. In practical engineering

MMC might be in asymmetric conditions

such as asymmetric inductance of the bridge arm and asymmetric voltage on the AC side. The admittance modeling and stability analysis under asymmetric conditions need to be further studied. At present

considering the admittance model of the system with multi-frequency coupling and the quantitative admittance dimensionality reduction methods are the difficulties in the stability analysis of asymmetric conditions. Therefore

this paper mainly establishes the MMC admittance model suitable for asymmetric conditions

and studies the matrix dimensionality reduction method suitable for small disturbance stability analysis under MMC asymmetric conditions. The dimensionality reduction method is based on the vector norm of admittance matrix. It is suitable for “black box” system and various asymmetric conditions

and can quantitatively evaluate the dimensionality reduction error of the admittance matrix with each order. Taking the Guangxi-side model of Luxi back-to-back asynchronous grid-connection project of China as a case

PSCAD/EMTDC electromagnetic transient simulation is used to verify the accuracy of the proposed model and the applicability of the proposed dimensionality reduction method under various asymmetric conditions.

关键词

Keywords

references

WANG Z X ， LI H ， CHU Z Y ， et al . A review of EMI research in modular multilevel converter for HVDC applications ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2022 ， 37 （ 12 ）： 14482 - 14498 .

李兴源，曾琦，王渝红，等 . 柔性直流输电系统控制研究综述［J］. 高电压技术， 2016 ， 42 （ 10 ）： 3025 - 3037 .

LI Xingyuan ， ZENG Qi ， WANG Yuhong ， et al . Control strategies of voltage source converter based direct current transmission system ［J］. High Voltage Engineering ， 2016 ， 42 （ 10 ）： 3025 - 3037 .

ZOU C Y ， RAO H ， XU S K ， et al . Analysis of resonance between a VSC-HVDC converter and the AC grid ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2018 ， 33 （ 12 ）： 10157 - 10168 .

郭贤珊，刘斌，梅红明，等 . 渝鄂直流背靠背联网工程交直流系统谐振分析与抑制［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 20 ）： 157 - 164 .

GUO Xianshan ， LIU Bin ， MEI Hongming ， et al . Analysis and suppression of resonance between AC and DC systems in Chongqing-Hubei back-to-back HVDC project of China ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 20 ）： 157 - 164 .

尹嘉豪，吕敬，蔡旭 . 柔性直流输电系统高频谐振阻尼特性分析及自适应抑制［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 22 ）： 90 - 100 .

YIN Jiahao ， LYU Jing ， CAI Xu . Damping characteristic analysis and adaptive suppression for high-frequency resonance of flexible DC transmission system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 22 ）： 90 - 100 .

SAAD H ， FILLION Y ， DESCHANVRES S ， et al . On resonances and harmonics in HVDC-MMC station connected to AC grid ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2017 ， 32 （ 3 ）： 1565 - 1573 .

冯俊杰，邹常跃，杨双飞，等 . 针对中高频谐振问题的柔性直流输电系统阻抗精确建模与特性分析［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 15 ）： 4805 - 4820 .

FENG Junjie ， ZOU Changyue ， YANG Shuangfei ， et al . Accurate impedance modeling and characteristic analysis of VSC-HVDC system for mid-and high-frequency resonance problems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 15 ）： 4805 - 4820 .

LYU J ， ZHANG X ， CAI X ， et al . Harmonic state-space based small-signal impedance modeling of a modular multilevel converter with consideration of internal harmonic dynamics ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 3 ）： 2134 - 2148 .

王泽昊，汪娟娟，刘岳坤，等 . 考虑频率耦合效应的柔性直流输电高频谐振抑制措施［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 10 ）： 164 - 173 .

WANG Zehao ， WANG Juanjuan ， LIU Yuekun ， et al . High-frequency resonance suppression measure for MMC-HVDC considering frequency coupling effect ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 10 ）： 164 - 173 .

刘岳坤，汪娟娟，王泽昊，等 . 定功率控制下柔性直流输电系统交流侧导纳矩阵建模及频率耦合抑制策略研究［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 10 ）： 3718 - 3731 .

LIU Yuekun ， WANG Juanjuan ， WANG Zehao ， et al . Research on AC admittance matrix modeling and frequency coupling effect of MMC-HVDC under power control ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 10 ）： 3718 - 3731 .

朱明琳，杭丽君，李国杰，等 . 三相电网不平衡下MMC多变量保护控制策略及系统运行性能研究［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 9 ）： 2408 - 2418 .

ZHU Minglin ， HANG Lijun ， LI Guojie ， et al . Investigation of MMC multi-variable protected strategies and system operation characteristics under unbalanced grid faults ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 9 ）： 2408 - 2418 .

CESPEDES M ， SUN J A . Methods for stability analysis of unbalanced three-phase systems ［C］// 2012 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE）， September 15-20 ， 2012 ， Raleigh， USA ： 3090 - 3097 .

张晓林，张帆，李甲飞，等 . 考虑桥臂参数不对称和子模块故障的MMC协同控制策略［J］. 电网与清洁能源， 2023 ， 39 （ 5 ）： 76 - 84 .

ZHANG Xiaolin ， ZHANG Fan ， LI Jiafei ， et al . MMC cooperative control strategy considering asymmetry of arm parameters and sub-module faults ［J］. Power System and Clean Energy ， 2023 ， 39 （ 5 ）： 76 - 84 .

杨文 . 频率耦合的并网逆变系统稳定性分析及阻抗重塑策略应用研究［D］. 重庆：重庆大学， 2020 .

YANG Wen . Stability analysis of frequency-coupled grid-connected inverter system and application research of impedance remodeling strategy ［D］. Chongqing ： Chongqing University ， 2020 .

年珩，杨洪雨 . 不平衡运行工况下并网逆变器的阻抗建模及稳定性分析［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 10 ）： 76 - 83 .

NIAN Heng ， YANG Hongyu . Impedance modeling and stability analysis of grid-connected inverters under unbalanced operation conditions ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 10 ）： 76 - 83 .

LYU J ， ZHANG X ， HUANG J J ， et al . Comparison of harmonic linearization and harmonic state space methods for impedance modeling of modular multilevel converter ［C］// 2018 International Power Electronics Conference ， May 20-24 ， 2018 ， Niigata， Japan ： 1004 - 1009 .

宗皓翔，张琛，吕敬，等 . MMC多入多出阻抗及其在不对称小扰动稳定分析中的应用［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 15 ）： 5649 - 5664 .

ZONG Haoxiang ， ZHANG Chen ， LYU Jing ， et al . MMC MIMO impedance and its application in the asymmetric small-signal stability analysis ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 15 ）： 5649 - 5664 .

ZHU J H ， HU J B ， LI Y B ， et al . Small-signal stability of MMC grid-tied system under two typical unbalanced grid conditions ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2022 ， 58 （ 4 ）： 5005 - 5014 .

郭猛，郝全睿，李东 . 混合型MMC的改进桥臂平均值与状态空间模型［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 19 ）： 116 - 127 .

GUO Meng ， HAO Quanrui ， LI Dong . Improved arm average and state-space models of hybrid modular multilevel converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 19 ）： 116 - 127 .

LIAO Y C ， SANDBERG H ， WANG X F . Vector-norm based truncation of harmonic transfer functions in black-box electronic power systems ［J］. IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society ， 2022 ， 3 ： 163 - 173 .

宗皓翔，吕敬，张琛，等 . MMC多维阻抗模型及其在风场-柔直交互稳定分析中的应用［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 14 ）： 4941 - 4953 .

ZONG Haoxiang ， LYU Jing ， ZHANG Chen ， et al . MIMO impedance model of MMC and its application in the wind farm-HVDC interaction stability analysis ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 14 ）： 4941 - 4953 .

李冠群，叶华，宾子君 . V / f 控制MMC带换流变压器空载充电发生高频振荡的机理分析［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 11 ）： 50 - 59 .

LI Guanqun ， YE Hua ， BIN Zijun . High-frequency oscillation mechanism analysis of V / f controlled modular multilevel converter charging with converter transformer under No-load condition ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 11 ）： 50 - 59 .

杜程茂，杜雄，邹小明，等 . 考虑频率耦合效应的并网模块化多电平变流器阻抗建模及稳定性分析［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 9 ）： 2866 - 2877 .

DU Chengmao ， DU Xiong ， ZOU Xiaoming ， et al . Impedance modeling and stability analysis of grid-connected modular multilevel converter considering frequency coupling effect ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 9 ）： 2866 - 2877 .

杨超然，辛焕海，宫泽旭，等 . 变流器并网系统复电路分析与广义阻抗判据适用性探讨［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 15 ）： 4744 - 4758 .

YANG Chaoran ， XIN Huanhai ， GONG Zexu ， et al . Complex circuit analysis and investigation on applicability of generalized-impedance-based stability criterion for grid-connected converter ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 15 ）： 4744 - 4758 .

SANDBERG H ， MOLLERSTEDT E ， BERNHARDSSON B . Frequency-domain analysis of linear time-periodic systems ［C］// Proceedings of the 2004 American Control Conference ， June 30-July 2 ， 2004 ， Boston， USA ： 1 - 12 .

朱建行 . 模块化多电平换流器并网系统交流电流尺度线性周期时变建模与稳定性分析［D］. 武汉：华中科技大学， 2020 .

ZHU Jianhang . Linear periodic time-varying modeling and stability analysis of AC current scale in modular multilevel converter grid-connected system ［D］. Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology ， 2020 .

GUO X S ， YUAN B ， LI X A ， et al . Research on the high frequency oscillation of MMC-HVDC integrated into renewable energy system ［C］// 2021 IEEE Southern Power Electronics Conference （SPEC）， December 6-9 ， 2021 ， Kigali， Rwanda .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Analysis and Optimization of Resonance Stability for MMC-HVDC and LCC-HVDC Hybrid Infeed System of Offshore Wind Power

Inertia Support Method of Energy Storage Doubly-fed Condenser Based on Frequency-Rotor Speed Droop Control

Related Author

WANG Zehao

WANG Juanjuan

WANG Zehao

LIU Yuekun

FENG Junjie

HUANG Haihong

WANG Guangya

WANG Haixin

Related Institution

School of Electrical Engineering and Automation, Hefei University of Technology

Department of Electrical Engineering, Tsinghua University

State Grid Liaoning Electric Power Co., Ltd.

EHV Power Transmission Company of China Southern Power Grid Co., Ltd.

State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources （North China Electric Power University）

⁰