Reduced-order Modeling and Stability Domain Analysis of Multi-terminal AC/DC Distribution System

JIANG Songhan; PENG Ke; ZHAO Xueshen; CHEN Jiajia; JIANG Yan; LIU Yuxin

doi:10.7500/AEPS20231120002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Reduced-order Modeling and Stability Domain Analysis of Multi-terminal AC/DC Distribution System

Basic Research | 更新时间：2025-06-16

- Reduced-order Modeling and Stability Domain Analysis of Multi-terminal AC/DC Distribution System
- Automation of Electric Power Systems Vol. 48, Issue 18, Pages: 189-198(2024)
- 作者机构：
  
  山东理工大学电气与电子工程学院，山东省淄博市 255000
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  Shandong Provincial Natural Science Foundation of China(ZR2023ME034);National Natural Science Foundation of China(52377110)
- DOI：10.7500/AEPS20231120002
  CLC：
- Received：20 November 2023，
  
  Revised：2024-04-23，
  
  Published Online：15 August 2024，
  
  Published：25 September 2024
- 稿件说明：
移动端阅览
姜淞瀚,彭克,赵学深等.多端交直流配电系统的降阶建模与稳定域分析[J].电力系统自动化,2024,48(18):189-198.

JIANG Songhan,PENG Ke,ZHAO Xueshen,et al.Reduced-order Modeling and Stability Domain Analysis of Multi-terminal AC/DC Distribution System[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(18):189-198.
姜淞瀚,彭克,赵学深等.多端交直流配电系统的降阶建模与稳定域分析[J].电力系统自动化,2024,48(18):189-198. DOI： 10.7500/AEPS20231120002.

JIANG Songhan,PENG Ke,ZHAO Xueshen,et al.Reduced-order Modeling and Stability Domain Analysis of Multi-terminal AC/DC Distribution System[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(18):189-198. DOI： 10.7500/AEPS20231120002.

摘要

随着不同电力电子设备的广泛接入，交直流配电系统的稳定性分析变得更为复杂，已引发多起低频振荡事故，严重危害到系统安全稳定运行。如何简化复杂的交直流配电系统模型，分析不同参数下直流电压的动态特性，是提高系统稳定性、避免系统振荡失稳的关键。文中以三端交直流配电系统为研究对象，首先，通过建立等值单机模型实现了多端交直流配电系统的等效降阶。其次，基于等值单机模型，推导了直流电压的低频分析模型。在实现低频模型降阶的同时，得到了直流电压动态性能的解析表达。再次，基于等值单机模型的传递函数和解析表达式，提出了一种稳定域分析方法，研究了系统参数变化对稳定域和系统动态性能的影响规律。最后，基于软件仿真模拟与硬件在环实验，验证了所提方法的有效性。

Abstract

With the widespread access of different power electronic equipment

the stability analysis of AC/DC distribution systems has become more complex

leading to low-frequency oscillation accidents which seriously endangered the safe and stable operation of the systems. How to simplify the complex AC/DC distribution system model and analyze the dynamic characteristics of DC voltage under different parameters is the key to improving system stability and avoiding system oscillation instability. This paper takes the three-terminal AC/DC distribution system as the research object. First

the equivalent single-machine model is established to achieve the equivalent order reduction of the multi-terminal AC/DC distribution system. Then

based on the equivalent single-machine model

a low-frequency analysis model of DC voltage is derived

which reduces the order of the low-frequency model and obtains an analytical expression of the dynamic performance of DC voltage. Thirdly

based on the transfer function and analytical expression of the equivalent single-machine model

a stability domain analysis method is proposed to study the influence of system parameter changes on the stability domain and system dynamic performance. Finally

based on the software simulation and hardware-in-the-loop experiments

the effectiveness of the proposed method is verified.

关键词

Keywords

references

习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话［EB/OL］.［ 2023-11-20 ］. http：//www.cppcc.gov.cn/zxww/2020/09/23/ARTI1600819264410115.shtml http://www.cppcc.gov.cn/zxww/2020/09/23/ARTI1600819264410115.shtml .

XI Jinping delivered an important speech at the general debate of the 75th United Nations General Assembly ［EB/OL］. ［ 2023-11-20 ］. http：//www.cppcc.gov.cn/zxww/2020/09/23/ARTI1600819264410115.html http://www.cppcc.gov.cn/zxww/2020/09/23/ARTI1600819264410115.html .

国家能源局 . 国家能源局2022年一季度网上新闻发布会文字实录［EB/OL］.［ 2023-11-20 ］. http：//www.nea.gov.cn/2022-01/28/c_1310445390.htm http://www.nea.gov.cn/2022-01/28/c_1310445390.htm .

National Energy Administration . Transcript of the National Energy Administration’s online press conference in the first quarter of 2022 ［EB/OL］. ［ 2023-11-20 ］. http：//www.nea.gov.cn/2022-01/28/c_1310445390.htm http://www.nea.gov.cn/2022-01/28/c_1310445390.htm .

SUN J ， MIHRET M ， CESPEDES M ， et al . Data center power system stability Part Ⅱ： system modeling and analysis ［J］. CSEE Journal of Power and Energy Systems ， 2022 （ 2 ）： 420 - 438 .

谢小荣，贺静波，毛航银，等 . “双高”电力系统稳定性的新问题及分类探讨［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 2 ）： 461 - 475 .

XIE Xiaorong ， HE Jingbo ， MAO Hangyin ， et al . New issues and classification of power system stability with high shares of renewables and power electronics ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 2 ）： 461 - 475 .

王垚鑫，李萌，年珩，等 . 基于VSC的功率双向交直流互联系统直流侧阻抗特性分析及重塑［J/OL］. 中国电机工程学报［ 2023-11-09 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20230810 Z.1458.Z005.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20230810Z.1458.Z005.html .

WANG Yaoxin ， LI Meng ， NIAN Heng ， et al . Analysis and reshaping of DC-side impedance characteristic in VSCs-based bidirectional power AC/DC interconnected system ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ［ 2023-11-09 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20230810Z.1458.Z005.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20230810Z.1458.Z005.html .

姜淞瀚，彭克，徐丙垠，等 . 直流配电系统示范工程现状与展望［J］. 电力自动化设备， 2021 ， 41 （ 5 ）： 219 - 231 .

JIANG Songhan ， PENG Ke ， XU Bingyin ， et al . Current situation and prospect of demonstration projects of DC distribution system ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2021 ， 41 （ 5 ）： 219 - 231 .

汤广福，王高勇，贺之渊，等 . 张北500 kV直流电网关键技术与设备研究［J］. 高电压技术， 2018 ， 44 （ 7 ）： 2097 - 2106 .

TANG Guangfu ， WANG Gaoyong ， HE Zhiyuan ， et al . Research on key technology and equipment for Zhangbei 500 kV DC grid ［J］. High Voltage Engineering ， 2018 ， 44 （ 7 ）： 2097 - 2106 .

苏麟，朱鹏飞，闫安心，等 . 苏州中压直流配电工程设计方案及仿真验证［J］. 中国电力， 2021 ， 54 （ 1 ）： 78 - 88 .

SU Lin ， ZHU Pengfei ， YAN Anxin ， et al . Design scheme and simulation verification of Suzhou medium voltage DC distribution project ［J］. Electric Power ， 2021 ， 54 （ 1 ）： 78 - 88 .

曾嵘，赵宇明，赵彪，等 . 直流配用电关键技术研究与应用展望［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 23 ）： 6791 - 6801 .

ZENG Rong ， ZHAO Yuming ， ZHAO Biao ， et al . A prospective look on research and application of DC power distribution technology ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 23 ）： 6791 - 6801 .

国家电网有限公司 . 全国首个智能柔性直流配电网示范工程在杭州投运［EB/OL］.［ 2023-11-20 ］. http：//www.sasac.gov.cn/n2588025/n2588124/c9534332/content.html http://www.sasac.gov.cn/n2588025/n2588124/c9534332/content.html .

State Grid Corporation of China . The country’s first intelligent flexible DC distribution network demonstration project was put into operation in Hangzhou ［EB/OL］. ［ 2023-11-20 ］. http：//www.sasac.gov.cn/n2588025/n2588124/c9534332/content.html http://www.sasac.gov.cn/n2588025/n2588124/c9534332/content.html .

FU Q ， DU W J ， WANG H F ， et al . Small-signal stability analysis of a VSC-MTDC system for investigating DC voltage oscillation ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2021 ， 36 （ 6 ）： 5081 - 5091 .

涂春鸣，郑宇婷，肖凡，等 . 并网变流器全工作区间的稳定性分析方法研究［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 19 ）： 7580 - 7592 .

TU Chunming ， ZHENG Yuting ， XIAO Fan ， et al . Study on the stability analysis method of grid-connected converters in full operating range ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 19 ）： 7580 - 7592 .

薛峰，吴家龙，崔晓丹，等 . 基于阻抗辨识的沽源地区风电并网系统次同步振荡控制策略［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 5 ）： 200 - 207 .

XUE Feng ， WU Jialong ， CUI Xiaodan ， et al . Sub-synchronous oscillation control strategy based on impedance identification for wind power grid-connected system in Guyuan area of China ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 5 ）： 200 - 207 .

程成，谢少军，张晴晴，等 . 计及锁相环动态的单相并网逆变器建模及稳定性研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2024 ， 44 （ 1 ）： 255 - 269 .

CHENG Cheng ， XIE Shaojun ， ZHANG Qingqing ， et al . Overview of modeling and stability analysis for single-phase grid-connected inverters considering phase-locked loop dynamics ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2024 ， 44 （ 1 ）： 255 - 269 .

徐筱倩，黄林彬，汪震，等 . 双馈风电机组虚拟惯量控制对电力系统机电振荡的影响分析［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 12 ）： 11 - 17 .

XU Xiaoqian ， HUANG Linbin ， WANG Zhen ， et al . Analysis on impact of virtual inertia control of DFIG-based wind turbine on electromechanical oscillation of power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 12 ）： 11 - 17 .

王光宇，付立军，胡祺，等 . 计及电压环影响的虚拟同步发电机低频振荡阻尼分析与控制［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 14 ）： 177 - 184 .

WANG Guangyu ， FU Lijun ， HU Qi ， et al . Analysis and control of low-frequency oscillation damping of virtual synchronous generator considering influence of voltage loop ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 14 ）： 177 - 184 .

高本锋，陈淑平，刘毅 . 光伏与LCC-HVDC系统的次同步振荡耦合路径及阻尼特性分析［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 24 ）： 66 - 75 .

GAO Benfeng ， CHEN Shuping ， LIU Yi . Analysis on coupling path and damping characteristics of sub-synchronous oscillation between photovoltaic and LCC-HVDC system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 24 ）： 66 - 75 .

ADAMS J ， CARTER C ， HUANG S H . ERCOT experience with sub-synchronous control interaction and proposed remediation ［C］// PES T&D 2012 ， May 7-10 ， 2012 ， Orlando， USA .

NATIONAL GRID ESO . Interim report into the low frequency demand disconnection （LFDD） following generator trips and frequency excursion on 9 Aug， 2019 ［EB/OL］. ［ 2023-11-20 ］. https：//www.nationalgrideso.com/do-cument/151081/down load https://www.nationalgrideso.com/do-cument/151081/download .

李景一，毕天姝，于钊，等 . 直驱风机变流控制系统对次同步频率分量的响应机理研究［J］. 电网技术， 2017 ， 41 （ 6 ）： 1734 - 1740 .

LI Jingyi ， BI Tianshu ， YU Zhao ， et al . Study on response characteristics of grid converter control system of permanent magnet synchronous generators（PMSG） to subsynchronous frequency component ［J］. Power System Technology ， 2017 ， 41 （ 6 ）： 1734 - 1740 .

马宁宁，谢小荣，唐健，等 . “双高” 电力系统宽频振荡广域监测与预警系统［J］. 清华大学学报（自然科学版）， 2021 ， 61 （ 5 ）： 457 - 464 .

MA Ningning ， XIE Xiaorong ， TANG Jian ， et al . Wide-area measurement and early warning system for wide-band oscillations in “double-high” power systems ［J］. Journal of Tsinghua University （Science and Technology）， 2021 ， 61 （ 5 ）： 457 - 464 .

孙华东，许涛，郭强，等 . 英国“8·9” 大停电事故分析及对中国电网的启示［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 21 ）： 6183 - 6192 .

SUN Huadong ， XU Tao ， GUO Qiang ， et al . Analysis on blackout in Great Britain power grid on August 9th， 2019 and its enlightenment to power grid in China ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 21 ）： 6183 - 6192 .

方勇杰 . 英国“8·9”停电事故对频率稳定控制技术的启示［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 24 ）： 1 - 5 .

FANG Yongjie . Reflections on frequency stability control technology based on the blackout event of 9 August 2019 in UK ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 24 ）： 1 - 5 .

高本锋，王义，范辉，等 . 基于阻尼路径的新能源经LCC-HVDC送出系统次同步交互作用分析方法［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 20 ）： 5572 - 5589 .

GAO Benfeng ， WANG Yi ， FAN Hui ， et al . A sub-synchronous interaction analysis method of renewable energy generations integrated with LCC-HVDC system based on damping path ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 20 ）： 5572 - 5589 .

薛翼程，张哲任，徐政，等 . 构网型变流器对交流系统低频振荡的影响分析与阻尼控制［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 16 ）： 103 - 113 .

XUE Yicheng ， ZHANG Zheren ， XU Zheng ， et al . Impact analysis and damping control of grid-forming converter for low-frequency oscillation of AC system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 16 ）： 103 - 113 .

王子骏，庄可好，辛焕海，等 . 虚拟同步直驱风机低频振荡机理分析及阻尼补偿控制［J/OL］. 电力系统自动化［ 2023-11-02 ］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.tp.20231102.1027.002.html https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.tp.20231102.1027.002.html .

WANG Zijun ， ZHUANG Kehao ， XIN Huanhai ， et al . Low-frequency oscillation mechanism analysis and damping compensation control of permanent magnet synchronous generator with virtual synchronous control ［J/OL］. Automation of Electric Power Systems ［ 2023-11-02 ］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.tp.20231102.1027.002.html https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.tp.20231102.1027.002.html .

WANG L G ， XIE X R ， SHAIR J ， et al . Frequency-domain admittance network model （FANM） based oscillatory stability analysis of hybrid AC-DC systems with MMCs ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2024 ， 39 （ 2 ）： 3444 - 3458 .

高磊，吕敬，马骏超，等 . 基于电路等效的并网逆变器失稳分析与稳定控制［J］. 电工技术学报， 2024 ， 39 （ 8 ）： 2325 - 2341 .

GAO Lei ， LÜ Jing ， MA Junchao ， et al . Instability analysis and stability control of grid-connected inverter based on impedance circuit equivalent ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2024 ， 39 （ 8 ）： 2325 - 2341 .

吴翔宇，张晓红，尚子轩，等 . 基于频域阻抗网络建模分析的交直流微电网振荡问题研究［J］. 电工技术学报， 2024 ， 39 （ 8 ）： 2294 - 2310 .

WU Xiangyu ， ZHANG Xiaohong ， SHANG Zixuan ， et al . Research on the oscillation problem of AC-DC microgrids based on frequency domain impedance network modeling and analysis ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2024 ， 39 （ 8 ）： 2294 - 2310 .

孙伟君，夏翔，刘刚，等 . MMC型级联变换器阻抗建模和稳定性分析［J］. 电力系统保护与控制， 2023 ， 51 （ 5 ）： 117 - 127 .

SUN Weijun ， XIA Xiang ， LIU Gang ， et al . MMC-based cascaded converter impedance model and stability analysis ［J］. Power System Protection and Control ， 2023 ， 51 （ 5 ）： 117 - 127 .

FU Q ， DU W J ， WANG H F ， et al . DC voltage oscillation stability analysis of DC-voltage-droop-controlled multiterminal DC distribution system using reduced-order modal calculation ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2022 ， 13 （ 6 ）： 4327 - 4339 .

曾祥辰，刘青，王嘉晨，等 . 弱电网下并网逆变器恒定带宽及稳定裕度的自适应控制策略［J］. 电工技术学报， 2024 ， 39 （ 9 ）： 2682 - 2695 .

ZENG Xiangchen ， LIU Qing ， WANG Jiachen ， et al . Adaptive control strategy of grid-connected inverters with constant bandwidth and stability margin in weak grids ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2024 ， 39 （ 9 ）： 2682 - 2695 .

周宇超，屈克庆，赵晋斌，等 . 基于改进阻抗分析法的多变流器直流微电网稳定性［J］. 现代电力， 2023 ， 40 （ 6 ）： 1052 - 1059 .

ZHOU Yuchao ， QU Keqing ， ZHAO Jinbin ， et al . Research on the stability of multi-converter DC microgrid based on improved impedance analysis method ［J］. Modern Electric Power ， 2023 ， 40 （ 6 ）： 1052 - 1059 .

DENG W ， PEI W ， WU Q ， et al . Analysis of interactive behavior and stability of low-voltage multiterminal DC system under droop control modes ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2022 ， 69 （ 7 ）： 6948 - 6959 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Low-frequency Oscillation Source Location of Hub Traction Power Supply System Based on Inter-harmonic Transient Energy Flow

Complex Torque Coefficient Based Analysis and Suppression Strategy of Low-frequency Oscillation in Grid-forming Converter Without Inner-loop

Preliminary Study on Stabilizer for New Power Systems

Related Author

LI Yawen

TAO Haidong

HU Haitao

ZHU Jun

HE Xiangzhao

FU Qi

ZHANG Yingwen

CHEN Xuetao

Related Institution

China Railway Chengdu Group Co., Ltd.

School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University

Guangxi Electric Power Design Institute Co., Ltd., China Energy Engineering Group

School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University

State Key Laboratory of Power System Operation and Control (Tsinghua University)

⁰