南航陈新团队：交直流混联系统的统一导阻网络建模及其稳定性分析

摘要：近年来以柔性直流输电技术为代表的多端交直流混联电力系统成为大规模消纳新能源的有效方案，对于交直流混联系统，常规阻抗模型难以同时涵盖交直流网络各装备的导纳/阻抗（电流/电压源型）特性，无法准确地表征交直流网络的复杂耦合关系，本期为您推荐南京航空航天大学陈新教授团

近年来以柔性直流输电技术为代表的多端交直流混联电力系统成为大规模消纳新能源的有效方案，对于交直流混联系统，常规阻抗模型难以同时涵盖交直流网络各装备的导纳/阻抗（电流/电压源型）特性，无法准确地表征交直流网络的复杂耦合关系，本期为您推荐南京航空航天大学陈新教授团队科研论文。

研究背景

面临高比例电力电子化的多端混联系统，“源-网-荷”中的交直流电力电子装备交互作用复杂。传统阻抗模型分析方法局限于单一交流或直流侧的稳定性问题，难以同时兼顾多端条件下的交-直混合断面的稳定性问题，此外，现有方法对交直流阻抗的简单聚合难以准确表征系统的复杂耦合关系，尤其在装备阻抗特性不同时，难以有效的实现新能源导纳模型与交直流网络阻抗模型的统一，将面临失效风险。

论文所解决的问题及意义

针对装备端口特性差异，提出交直流混联系统划分方法，将系统划分为单一/复合导阻网络，实现装备模型标准化。基于系统网络连接关系，构建涵盖完整振荡信息及阻抗/导纳特性的统一导阻网络模型，推导覆盖各交直流端口交互关系的统一导阻网络稳定判据，并提出面向混联系统的振荡溯源方法。

该模型融合导纳型新能源网络与阻抗型负载网络，涵盖交直流端口频率特征，突破单一直流/交流网络局限，实现了不同阻抗特性装备模型的统一覆盖，为交直流混联系统的稳定性分析提供了系统化方法。

论文方法及创新点

1、交直流混联系统网络划分及统一建模标准

将混联系统拆解为不同网络子模块，标准化各子模块阻抗/导纳形式，并基于各子模块交直流混合导纳/阻抗模型端口特性，将系统网络划分为两类：具备单一交流或直流端口特性的单一导阻网络，以及同时复合交直流端口特性的复合导阻网络。

图1 混联系统模型划分示意图

图1中，新能源网络、交流负载网络、直流网络仅连接系统交流端口或直流端口，所覆盖系统模块仅具有单一交流或直流端口阻抗特性，共同构成单一网络(黑色虚线框所示)；送端/受端换流站系统跨接于交流-直流网络之间，同时复合直流和交流的端口阻抗特性，共同构成复合网络(红色虚线框所示)。

基于此，提出交直流混联系统的一般性建模标准，将电流源型设备等效为电流源并联导纳的形式，电压源型设备等效为电压源串联阻抗的形式，针对与电流源型设备相连接的换流站建立交直流混合阻抗模型，对与电压源型设备相连接的换流站建立混合导纳模型，模型包含交直流端口约束关系，兼顾了交直流侧稳定性信息。

单一网络中电流/电压源型设备阻抗/导纳模型：

复合网络中换流站交直流混合阻抗/导纳模型：

2、混联系统统一导阻网络模型

为直观地解释系统统一导阻网络模型的物理意义，结合上述系统网络划分原则和建模分析，归纳获取系统统一导阻网络模型如图所示。

图2 混联系统的统一导阻网络模型

图2展现了单一和复合导阻网络模型之间的数学关系。单一导阻网络中，混联系统交流端口电压电流信号经新能源网络模型和交流负载网络模型与复合导阻网络交互，直流端口信号经直流网络矩阵与复合导阻网络交互；复合导阻网络中，混联系统交直流端口电压电流信号经换流站交直流混合模型与单一导阻网络交互。定义单一和复合导阻网络矩阵分别为GMIA和GHIA：

该统一导阻网络模型具备以下特性：可覆盖多阻抗/导纳特性的交直流混合系统，清晰刻画混联系统小信号传播路径及端口映射关系，支持导纳特性新能源单元与阻抗特性负载网络的统一化建模分析，解决含混合特性装备（导纳/阻抗）交直流系统的模型统一问题；基于模块化建模标准构建交直流混合装备模块，将网络矩阵从单一交流/直流拓展至交直流系统，结合导阻网络推衍特性，可将统一导阻网络推广应用至一般交直流混联系统。

3、基于统一导阻网络的混联系统稳定判据

结合交直流网络端口处交互关系可得到混联系统等效传函（如图3所示）。

图3 统一导阻网络的等效传递函数

由此可看出，(E+GHIAGMIA)-1可表征混联系统交直流端口物理量的动态特性，对其进行进一步数学变换可得：

可知det(E+GHIAGMIA)是否存在右半平面极点是判断混联系统是否失稳的关键，结合上述分析推导出刻画混联系统是否失稳的等效开环传递函数：

以张北四端柔直工程为应用实例，基于此判据得到的混联系统交流端口稳定性分析：

图4 交流网络电压电流波形及其稳定性分析

对于多站交直流互联系统的振荡问题，传统阻抗网络矩阵无法实现不同阻抗特性的统一分析，只能实现局部阻抗网络稳定性分析，弱化了换流站中的交直流约束关系，相应判据得到的奈氏曲线不能准确反映系统的谐振风险，而统一导阻网络矩阵，解决了因装备阻抗特性不统一导致的系统整体判稳难题，且在对系统整体进行稳定性分析时，覆盖了系统各交直流约束关系，可以得到统一导阻网络判据的特征根轨迹曲线包裹了(−1,0j)点，与实验结果保持一致，验证了本文所提出的统一导阻稳定判据的正确性。

针对混联系统直流端口稳定性分析：

图5 直流网络电压电流波形及其稳定性分析

上述实验结果与理论分析相符，验证了统一导阻网络矩阵能够全面覆盖了混联系统各类交直流端口稳定性信息，实现了系统交直流侧的统一分析，保证了稳定性分析的全面性。

结论

本文基于统一导阻网络模型，提出一种面向交直流混联系统的稳定性分析及振荡溯源方法，得到如下结论：

1）基于电压/电流源型设备特性，以统一导阻模型形式标准化系统各网络模块的阻抗与导纳，避免系统稳定分析过程中右半平面极点的求解问题，所提建模方法具有一般性。

2）从交直流端口视角出发，将混联系统划分为含不同阻抗/导纳特性的多类型导阻网络，构建通用交直流混联系统统一导阻网络模型，整合不同阻抗特性装备，完整涵盖系统稳定性信息，并结合网络拓展方法提升模型的拓展性与灵活性。

3）统一导阻网络判据适用于一般交直流混联系统，能够实现混联系统振荡定位，全面覆盖系统稳定性问题，通过降低矩阵阶数、规避右半平面极点求解简化分析过程，并基于工程案例验证了该方法在混联系统稳定性分析的可行性。

团队介绍

南京航空航天大学陈新教授团队专注于分布式发电与并网稳定相关专业领域研究，研究方向包括用于新能源发电系统的功率变换关键技术，分布式发电与微电网的建模、控制与系统集成，集成新能源电力系统的稳定性分析等。

近年主持包括国家863计划项目、国家自然科学基金项目在内的数十项科研课题，获授权技术发明专利20余项。在国内外重要核心期刊和重要学术会议上发表论文100余篇，其中SCI、EI检索论文70余篇，多篇论文入选ESI高被引论文、中国精品科技期刊顶尖学术论文、年度优秀论文、高影响力论文、最受关注论文和年会最佳论文等。先后获得江苏省高等学校科学技术一等奖（2023）、中国电力科学技术进步一等奖（2022）、中国电源学会科学技术二等奖（2022）、中国电力科学研究院科学技术进步二等奖（2021）。