锁相环失步对同步发电机暂态功角稳定性的影响机理分析

黎晓; 李剑泽; 苏晨博; 王洁聪; 刘崇茹; 郑乐

doi:10.7500/AEPS20220214001

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

锁相环失步对同步发电机暂态功角稳定性的影响机理分析

学术研究 | 更新时间：2025-06-16

- 锁相环失步对同步发电机暂态功角稳定性的影响机理分析
- Influence Mechanism Analysis of Phase Locked Loop Out-of-synchronization on Transient Power Angle Stability of Synchronous Generators
- 电力系统自动化 2022年46卷第22期页码：101-110
- 作者机构：
  
  1.新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京市 102206
  2.中国电力科学研究院有限公司，北京市100192
- 作者简介：
  
  黎晓(1993—)，男，博士研究生，主要研究方向：电力系统稳定与控制。E-mail：lixiao000@yeah.net
  李剑泽(1997—)，男，硕士研究生，主要研究方向：新能源并网稳定性分析。E-mail：2291128250@qq.com
  苏晨博(1991—)，男，博士研究生，主要研究方向：新能源并网稳定性分析。E-mail：scb2636@foxmail.com
  刘崇茹(1977—)，女，通信作者，教授，博士生导师，主要研究方向：交直流混合系统分析与仿真、运行与控制。E-mail：chongru.liu@ncepu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家电网有限公司科技项目(5105-202018129A-0-0-00)
- DOI：10.7500/AEPS20220214001
  中图分类号：
- 收稿：2022-02-14，
  
  修回：2022-06-19，
  
  纸质出版：2022-11-25
- 稿件说明：
移动端阅览
黎晓,李剑泽,苏晨博等.锁相环失步对同步发电机暂态功角稳定性的影响机理分析[J].电力系统自动化,2022,46(22):101-110.

LI Xiao,LI Jianze,SU Chenbo,et al.Influence Mechanism Analysis of Phase Locked Loop Out-of-synchronization on Transient Power Angle Stability of Synchronous Generators[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(22):101-110.
黎晓,李剑泽,苏晨博等.锁相环失步对同步发电机暂态功角稳定性的影响机理分析[J].电力系统自动化,2022,46(22):101-110. DOI： 10.7500/AEPS20220214001.

LI Xiao,LI Jianze,SU Chenbo,et al.Influence Mechanism Analysis of Phase Locked Loop Out-of-synchronization on Transient Power Angle Stability of Synchronous Generators[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(22):101-110. DOI： 10.7500/AEPS20220214001.

摘要

未来将有大量新能源经功率变换器馈入电网，形成新能源机组和同步发电机共存的新型电力系统，这使得电力系统的暂态功角稳定问题更加复杂。文中分析了变流器锁相环平衡点的存在性与同步发电机暂态功角稳定性的联系。基于几何奇异摄动理论，针对含变流器和同步发电机的系统，分析了变流器失去平衡点导致锁相环输出角与同步发电机功角耦合的原因；揭示了高比例变流器接入的电网中更容易发生这种耦合的机理。详细分析了变流器失去平衡点后，锁相环对发电机同步稳定性的两种影响机理：锁相环失稳短暂地增加同步发电机的减速面积导致发电机功角减速；锁相环失稳增加同步发电机加速面积导致发电机功角快速失稳。文中从理论上刻画了发电机功角稳定受锁相环制约的条件，对新型电力系统中功角稳定域的研究具有参考意义。

Abstract

A large number of renewable energy will be integrated into the power grid through power converters in the future

forming a new power system in which renewable energy units and synchronous generators coexist

which makes the problem of transient power angle stability of the power system more complex. The relationship between the existence of the phase-locked loop (PLL) equilibrium point of the converter and the transient power angle stability of the synchronous generator is analyzed. Based on the geometric singular perturbation theory

for the system with converters and synchronous generators

the reasons for the coupling between the output angle of PLL and the power angle of synchronous generator caused by the loss of equilibrium point are analyzed. It reveals the mechanism that this coupling is more likely to occur in the power grid penetrated by high proportion of converters. This paper analyzes in detail the two influence mechanisms of PLL on the synchronous stability of the generator after the converter loses the equilibrium point. The first one is that the instability of PLL briefly increases the deceleration area of the synchronous generator

resulting in the deceleration of the generator power angle. The second one is that the instability of PLL increases the acceleration area of the synchronous generator

resulting in the rapid instability of the generator power angle. The conditions that PLL restricts the power angle stability of the generator are described theoretically

which has the reference significance for the research of power angle stability region in the new power system.

关键词

Keywords

references

郭剑波 . 构建新型电力系统是实现能源转型、达成“双碳”目标的有效途径［N］. 国家电网报， 2021-09-07 （5）.

GUO Jianbo . Building a new power system is an effective way to realize energy transformation and achieve the goal of double carbon ［N］. State Grid News ， 2021-09-07 （5）.

WANG X F ， TAUL M G ， WU H ， et al . Grid-synchronization stability of converter-based resources—an overview ［J］. IEEE Open Journal of Industry Applications ， 2020 ， 1 ： 115 - 134 .

王旭斌，杜文娟，王海风 . 考虑锁相环动态的直驱风电机组虚拟惯性控制对电力系统小干扰稳定性影响［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 8 ）： 2239 - 2252 .

WANG Xubin ， DU Wenjuan ， WANG Haifeng . Small-signal stability of power systems as affected by D-PMSG virtual inertia control considering PLL dynamics ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 8 ）： 2239 - 2252 .

LI Y ， FAN L L ， MIAO Z X . Wind in weak grids： low-frequency oscillations， subsynchronous oscillations， and torsional interactions ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 1 ）： 109 - 118 .

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 .

XUE Y C ， WANG G T ， ZHANG Z R ， et al . Mechanism analysis and mitigation strategies for oscillatory instability of synchronous generators affected by voltage source converters ［J］. IET Generation ， Transmission & Distribution， 2022 ， 16 （ 4 ）： 750 - 765 .

毕天姝，王清，薛安成，等 . 基于状态矩阵和摄动理论的双馈风力发电机与同步机小扰动互作用机理［J］. 电工技术学报， 2016 ， 31 （ 7 ）： 126 - 135 .

BI Tianshu ， WANG Qing ， XUE Ancheng ， et al . The mechanism of small signal dynamic interaction between DFIG and synchronous generator based on state matrix and perturbation theories ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2016 ， 31 （ 7 ）： 126 - 135 .

MA J ， QIU Y ， LI Y N ， et al . Research on the impact of DFIG virtual inertia control on power system small-signal stability considering the phase-locked loop ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2017 ， 32 （ 3 ）： 2094 - 2105 .

何维 . 双馈型风电机组机电时间尺度特性分析及对电力系统机电动态影响研究［D］. 武汉：华中科技大学， 2017 .

HE Wei . Study of electromechanical-time scale characteristics of doubly fed induction generator type wind turbine and its impact on power system electromechanical dynamics ［D］. Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology ， 2017 .

王清，薛安成，郑元杰，等 . 双馈型风电集中接入对暂态功角稳定的影响分析［J］. 电网技术， 2016 ， 40 （ 3 ）： 875 - 881 .

WANG Qing ， XUE Ancheng ， ZHENG Yuanjie ， et al . Impact of DFIG-based wind power integration on the transient stability of power systems ［J］. Power System Technology ， 2016 ， 40 （ 3 ）： 875 - 881 .

喻哲扬，张君黎，徐政 . 非同步机电源渗透率对同步机之间功角稳定性影响的简化模型分析［J］. 电力自动化设备， 2020 ， 40 （ 9 ）： 88 - 97 .

YU Zheyang ， ZHANG Junli ， XU Zheng . Simplified model analysis of influence of penetration rate of non-synchronous generator source on angle stability of synchronous generators ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2020 ， 40 （ 9 ）： 88 - 97 .

王杨 . 大规模直驱风机接入对系统暂态功角稳定性的影响［D］. 昆明：昆明理工大学， 2019 .

WANG Yang . Influence of large-scale direct drive fan connection on system transient power angle stability ［D］. Kunming ： Kunming University of Science and Technology ， 2019 .

熊燚 . 非同步机电源对暂态稳定性影响机理分析［D］. 济南：山东大学， 2021 .

XIONG Yi . Power system transient stability mechanism analysis with unconventional generators ［D］. Jinan ： Shandong University ， 2021 .

汤蕾，沈沉，张雪敏 . 大规模风电集中接入对电力系统暂态功角稳定性的影响（一）：理论基础［J］. 中国电机工程学报， 2015 ， 35 （ 15 ）： 3832 - 3842 .

TANG Lei ， SHEN Chen ， ZHANG Xuemin . Impact of large-scale wind power centralized integration on transient angle stability of power systems—Part Ⅰ： theoretical foundation ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 15 ）： 3832 - 3842 .

汤蕾，沈沉，张雪敏 . 大规模风电集中接入对电力系统暂态功角稳定性的影响（二）：影响因素分析［J］. 中国电机工程学报， 2015 ， 35 （ 16 ）： 4043 - 4051 .

TANG Lei ， SHEN Chen ， ZHANG Xuemin . Impact of large-scale wind power centralized integration on transient angle stability of power systems—Part Ⅱ： factors affecting transient angle stability ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 16 ）： 4043 - 4051 .

VITTAL E ， O’MALLEY M ， KEANE A . Rotor angle stability with high penetrations of wind generation ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2012 ， 27 （ 1 ）： 353 - 362 .

姜惠兰，吴玉璋，周照清，等 . 含双馈风力发电场的多机系统暂态功角稳定性分析方法［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 4 ）： 999 - 1005 .

JIANG Huilan ， WU Yuzhang ， ZHOU Zhaoqing ， et al . A method to analyze the transient angle stability of multi-machine system with DFIG-based wind farm ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 4 ）： 999 - 1005 .

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 .

LIU Y S ， HUANG M ， ZHA X M ， et al . Stability analysis of PLL influenced by control loops in grid-connected converters under fault disturbance ［J］. CSEE Journal of Power and Energy Systems ， 2020 ， 6 （ 2 ）： 239 - 248 .

HE X Q ， GENG H ， MA S K . Transient stability analysis of grid-tied converters considering PLL’s nonlinearity ［J］. CPSS Transactions on Power Electronics and Applications ， 2019 ， 4 （ 1 ）： 40 - 49 .

MA S K ， GENG H ， LIU L ， et al . Grid-synchronization stability improvement of large scale wind farm during severe grid fault ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2018 ， 33 （ 1 ）： 216 - 226 .

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 .

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 .

YANG Z Q ， MA R ， CHENG S J ， et al . Nonlinear modeling and analysis of grid-connected voltage-source converters under voltage dips ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2020 ， 8 （ 4 ）： 3281 - 3292 .

黎晓，刘崇茹，辛蜀骏，等 . 暂态功角稳定与暂态电压稳定的耦合机理分析与耦合强度评估指标［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 15 ）： 5091 - 5107 .

LI Xiao ， LIU Chongru ， XIN Shujun ， et al . Coupling mechanism analysis and coupling strength evaluation index of transient power angle stability and transient voltage stability ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 15 ）： 5091 - 5107 .

屠竞哲，易俊，王超，等 . 考虑光伏动态特性的功角电压交互失稳机理分析［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 13 ）： 157 - 165 .

TU Jingzhe ， YI Jun ， WANG Chao ， et al . Analysis on instability mechanism of power angle and voltage interaction considering dynamic characteristics of photovoltaic generator ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 13 ）： 157 - 165 .

HU Q ， FU L J ， MA F ， et al . Analogized synchronous-generator model of PLL-based VSC and transient synchronizing stability of converter dominated power system ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2021 ， 12 （ 2 ）： 1174 - 1185 .

HE X Q ， GENG H ， LI R Q ， et al . Transient stability analysis and enhancement of renewable energy conversion system during LVRT ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2020 ， 11 （ 3 ）： 1612 - 1623 .

张宇，蔡旭，张琛，等 . 并网变换器的暂态同步稳定性研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 5 ）： 1687 - 1702 .

ZHANG Yu ， CAI Xu ， ZHANG Chen ， et al . Transient synchronization stability analysis of voltage source converters： a review ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 5 ）： 1687 - 1702 .

TAUL M G ， WANG X F ， DAVARI P ， et al . An overview of assessment methods for synchronization stability of grid-connected converters under severe symmetrical grid faults ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 10 ）： 9655 - 9670 .

徐政 . 电力系统广义同步稳定性的物理机理与研究途径［J］. 电力自动化设备， 2020 ， 40 （ 9 ）： 3 - 9 .

XU Zheng . Physical mechanism and research approach of generalized synchronous stability for power systems ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2020 ， 40 （ 9 ）： 3 - 9 .

BROCHU J ， LAROSE C ， GAGNON R . Validation of single- and multiple-machine equivalents for modeling wind power plants ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2011 ， 26 （ 2 ）： 532 - 541 .

周明儒，林武忠，倪明康，等 . 奇异摄动导论［M］. 北京：科学出版社， 2014 .

ZHOU Mingru ， LIN Wuzhong ， NI Mingkang ， et al . Introduction to singular perturbation ［M］. Beijing ： Science Press ， 2014 .

王洁聪 . 含MMC的交直流系统建模与稳定性分析［D］. 北京：华北电力大学， 2021 .

WANG Jiecong . Modeling and stability analysis of AC/DC system with MMC ［D］. Beijing ： North China Electric Power University ， 2021 .

KRUPA M ， SZMOLYAN P . Geometric analysis of the singularly perturbed planar fold ［M］// MILLER W， JONES C K R T， KHIBNIK A I. Multiple-time-scale dynamical systems . New York， USA ： Springer ， 2001 ： 89 - 116 .

KRUPA M ， SZMOLYAN P . Extending geometric singular perturbation theory to nonhyperbolic points-fold and canard points in two dimensions ［J］. SIAM Journal on Mathematical Analysis ， 2001 ， 33 （ 2 ）： 286 - 314 .

CHUNG S K . A phase tracking system for three phase utility interface inverters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2000 ， 15 （ 3 ）： 431 - 438 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

跟网型直驱风机并网系统暂态同步稳定的支路能量判据

并网换流器控制参数安全域构建方法及控制交互作用分析

功率同步型构网变流器并网系统暂态同步稳定性研究综述