Analytical Calculation and Parameter Influence Analysis of VSC Transient Overvoltage Considering Phase-locked Loop Dynamics

LUO Shujie; CHEN Lei; ZHAO Boyuan; MIN Yong

doi:10.7500/AEPS20240508005

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Analytical Calculation and Parameter Influence Analysis of VSC Transient Overvoltage Considering Phase-locked Loop Dynamics

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

- Analytical Calculation and Parameter Influence Analysis of VSC Transient Overvoltage Considering Phase-locked Loop Dynamics
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 11, Pages: 168-177(2025)
- 作者机构：
  
  新型电力系统运行与控制全国重点实验室（清华大学电机工程与应用电子技术系），北京市 100084
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China-State Grid Corporation of China Joint Fund for Smart Grid(U2066602)
- DOI：10.7500/AEPS20240508005
  CLC：
- Received：08 May 2024，
  
  Revised：2024-08-25，
  
  Published Online：15 November 2024，
  
  Published：10 June 2025
- 稿件说明：
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骆舒婕,陈磊,赵博元等.考虑锁相环动态的VSC暂态过电压解析计算与参数影响分析[J].电力系统自动化,2025,49(11):168-177.

LUO Shujie,CHEN Lei,ZHAO Boyuan,et al.Analytical Calculation and Parameter Influence Analysis of VSC Transient Overvoltage Considering Phase-locked Loop Dynamics[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(11):168-177.
骆舒婕,陈磊,赵博元等.考虑锁相环动态的VSC暂态过电压解析计算与参数影响分析[J].电力系统自动化,2025,49(11):168-177. DOI： 10.7500/AEPS20240508005.

LUO Shujie,CHEN Lei,ZHAO Boyuan,et al.Analytical Calculation and Parameter Influence Analysis of VSC Transient Overvoltage Considering Phase-locked Loop Dynamics[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(11):168-177. DOI： 10.7500/AEPS20240508005.

摘要

随着新能源发电换流器等电力电子设备在电力系统中的占比持续提高，电网强度逐渐变弱，在交流短路故障后极易产生暂态过电压，引发连锁故障。文中基于电压源换流器低电压穿越控制模型，首先，分析了暂态过电压产生机理及锁相环动态对暂态过电压的影响。其次，基于锁相环控制方程，求解故障三阶段锁相环相位的近似解析解，进而，由电压相量图推导暂态过电压解析式。然后，通过过电压解析式，得到控制参数对故障清除后暂态过电压水平影响的连续变化趋势。最后，利用MATLAB电磁暂态仿真，验证了所求并网点电压解析式及参数影响过电压机理相关结论的有效性。

Abstract

With the continuous increase in the proportion of power electronic equipment such as new energy resource generation converters

the strength of the power grid is getting weaker. It is very easy to generate transient overvoltage after AC short-circuit fault

which triggers cascading failures. Based on the low voltage ride-through (LVRT) control model of voltage source converter (VSC)

firstly

this paper analyzes the generation mechanism of transient overvoltage and the influence of phase-locked loop (PLL) dynamics on transient overvoltage. Secondly

based on the PLL control equation

the approximate analytical solution of the phase for the three-stage PLL is solved

and the transient overvoltage analytical formula is derived from the voltage phasor diagram. Moreover

the transient overvoltage analytical equation is deduced from the voltage phase diagram. Then

the continuous variation trend of the influence of control parameters on the transient overvoltage level after fault clearing is obtained from the overvoltage analytical equation. Finally

MATLAB electromagnetic transient simulation is utilized to verify the validity of the derived analytical equation for the voltage at the grid-connected point and the conclusions related to the overvoltage mechanism influenced by parameters.

关键词

Keywords

references

马富艺龙，辛焕海，刘晨曦，等 . 新能源基地柔性直流送出系统小扰动电压支撑强度评估［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 21 ）： 5758 - 5770 .

MA Fuyilong ， XIN Huanhai ， LIU Chenxi ， et al . Small-disturbance system voltage support strength assessment method for renewables VSC-HVDC delivery system ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 21 ）： 5758 - 5770 .

韩璐，尹纯亚，戴晨，等 . 高比例新能源送端系统暂态电压运行风险分析［J］. 电力系统保护与控制， 2024 ， 52 （ 1 ）： 23 - 34 .

HAN Lu ， YIN Chunya ， DAI Chen ， et al . Transient voltage operational risk of a high-proportion new energy sending system ［J］. Power System Protection and Control ， 2024 ， 52 （ 1 ）： 23 - 34 .

孙华东，徐式蕴，贺静波，等 . 高比例电力电子电力系统过电压（一）：定义、分类及相关要求［J］. 中国电机工程学报， 2024 ， 44 （ 1 ）： 22 - 34 .

SUN Huadong ， XU Shiyun ， HE Jingbo ， et al . Overvoltage of the power system integrated with high proportion of power electronics（Ⅰ）： definition， classification and relevant requirements ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2024 ， 44 （ 1 ）： 22 - 34 .

袁枭添，杜正春，李宇骏，等 . 基于直流电压同步的构网型直驱风机两阶段主动阻尼支撑控制策略［J］. 电网技术， 2023 ， 47 （ 12 ）： 4995 - 5007 .

YUAN Xiaotian ， DU Zhengchun ， LI Yujun ， et al . Two-stage control of DC voltage-synchronized directly-driven wind turbine for active damping support ［J］. Power System Technology ， 2023 ， 47 （ 12 ）： 4995 - 5007 .

邢光正，吴琛，陈磊，等 . 电压源变换器接入电网的小扰动稳定机理分析［J］. 电力自动化设备， 2020 ， 40 （ 9 ）： 42 - 49 .

XING Guangzheng ， WU Chen ， CHEN Lei ， et al . Analysis of small disturbance stability mechanism for grid-connected voltage source converter ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2020 ， 40 （ 9 ）： 42 - 49 .

刘其辉，董楚然，吴勇，等 . 直流换相失败下双馈风电机组特性描述及暂态过电压抑制［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 8 ）： 29 - 38 .

LIU Qihui ， DONG Churan ， WU Yong ， et al . Characteristic description and transient overvoltage suppression of doubly-fed wind turbines with LCC-HVDC commutation failure ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 8 ）： 29 - 38 .

于思奇，孙大卫，吴林林，等 . 新能源汇集系统短路故障清除后的暂态过电压机理［J］. 电力自动化设备， 2023 ， 43 （ 9 ）： 179 - 185 .

YU Siqi ， SUN Dawei ， WU Linlin ， et al . Transient overvoltage mechanism after short circuit fault removal of renewable energy collection system ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2023 ， 43 （ 9 ）： 179 - 185 .

杨浩，刘虎，丁肇豪，等 . 计及短路比提升与暂态过电压抑制的含高比例风电送端电网两阶段式调相机优化配置［J］. 电网技术， 2024 ， 48 （ 2 ）： 540 - 552 .

YANG Hao ， LIU Hu ， DING Zhaohao ， et al . Two-stage optimal configuration of condenser for high-proportion wind power sending-end power grid considering short circuit ratio increase and transient overvoltage suppression ［J］. Power System Technology ， 2024 ， 48 （ 2 ）： 540 - 552 .

孙大卫，吴林林，刘辉，等 . 弱电网直驱风机低电压穿越特性及其对机端暂态电压的影响［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 14 ）： 4777 - 4786 .

SUN Dawei ， WU Linlin ， LIU Hui ， et al . Effect of the low voltage ride through characteristics on PMSG terminal transient voltage in weakly-synchronized gird ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 14 ）： 4777 - 4786 .

刘其辉，闫佳颖，吴勇，等 . 计及锁相误差的双馈风电并网系统暂态过电压特性与抑制［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 11 ）： 165 - 173 .

LIU Qihui ， YAN Jiaying ， WU Yong ， et al . Characteristics and suppression of transient overvoltage for DFIG wind power grid-connected system considering phase locking error ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 11 ）： 165 - 173 .

赵博元，路晨，陈磊，等 . 锁相环动态对切换延迟导致的VSC暂态过电压的影响［J/OL］. 电网技术［ 2024-04-16 ］. https：//doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2023.0448 https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2023.0448 .

ZHAO Boyuan ， LU Chen ， CHEN Lei ， et al . Impact of phase-locked loop dynamics on transient over-voltage in VSC due to switching delays ［J/OL］. Power System Technology ［ 2024-04-16 ］. https：//doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2023.0448 https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2023.0448 .

屠竞哲，张健，刘明松，等 . 考虑风机动态特性的大扰动暂态过电压机理分析［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 11 ）： 197 - 205 .

TU Jingzhe ， ZHANG Jian ， LIU Mingsong ， et al . Mechanism analysis of transient overvoltage with large disturbance considering dynamic characteristics of wind generator ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 11 ）： 197 - 205 .

YIN C Y ， LI F T . Analytical expression on transient overvoltage peak value of converter bus caused by DC faults ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2021 ， 36 （ 3 ）： 2741 - 2744 .

刘辉，王阔 . 新能源低电压穿越无功电流对暂态电压安全约束的影响［J］. 中国电力， 2022 ， 55 （ 2 ）： 152 - 158 .

LIU Hui ， WANG Kuo . LVRT reactive current index of renewable units based on the constraints of transient voltage ［J］. Electric Power ， 2022 ， 55 （ 2 ）： 152 - 158 .

徐式蕴，孙华东，王姝彦，等 . 高比例电力电子电力系统过电压（二）：交流对称故障下暂时工频过电压机理［J］. 中国电机工程学报， 2024 ， 44 （ 5 ）： 1701 - 1712 .

XU Shiyun ， SUN Huadong ， WANG Shuyan ， et al . Overvoltage of the power system integrated with high proportion of power electronics equipment （Ⅱ）： mechanistic analysis of transient power frequency overvoltage caused by AC symmetrical fault ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2024 ， 44 （ 5 ）： 1701 - 1712 .

刘昕宇，史兴华，辛焕海，等 . 故障恢复期间新能源多场站系统过电压快速评估方法［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 13 ）： 168 - 175 .

LIU Xinyu ， SHI Xinghua ， XIN Huanhai ， et al . Fast assessment method for overvoltage in multiple renewable energy station system during fault recovery process ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 13 ）： 168 - 175 .

MOHSENI M ， ISLAM S M ， MASOUM M A S . Impacts of symmetrical and asymmetrical voltage sags on DFIG-based wind turbines considering phase-angle jump， voltage recovery， and sag parameters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2011 ， 26 （ 5 ）： 1587 - 1598 .

杜维柱，罗亚洲，李蕴红，等 . 风电汇集系统无功盈余导致暂态过电压问题的研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 9 ）： 3224 - 3239 .

DU Weizhu ， LUO Yazhou ， LI Yunhong ， et al . Reviews of transient overvoltage problem cause by extra reactive power in large scale wind power systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 9 ）： 3224 - 3239 .

HU Q ， FU L J ， MA F ， et al . Large signal synchronizing instability of PLL-based VSC connected to weak AC grid ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2019 ， 34 （ 4 ）： 3220 - 3229 .

HE X Q ， GENG H . Transient stability of power systems integrated with inverter-based generation ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2021 ， 36 （ 1 ）： 553 - 556 .

ZHAO J T ， HUANG M ， YAN H ， et al . Nonlinear and transient stability analysis of phase-locked loops in grid-connected converters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 1 ）： 1018 - 1029 .

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North China Branch of State Grid Corporation of China

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