浙江大学：宽频振荡机理及其基于C型阻尼滤波器的抑制技术

徐政浙江大学xuzheng007@zju.edu.cn哗站号“徐政讲直流输电”微信公众号“徐政讲直流输电” 创新点 研究背景 结论 1.创新点 （1）论证了交流电网宽频振荡的“负电阻”机理不能成立；（2）提出了宽频电压源换流器模型和宽频带电流源换流器模型；（3）提出了宽频振荡的“谐波放大”机理；（4）导出了谐振模态阻尼比与谐波放大倍数之间的关系;（5）提出了C型阻尼滤波器的最大阻尼设计方法。 2.研究背景 当前，宽频振荡事件时有发生，引对电网安全稳定运行构成威胁。 业界已有的宽频振荡机理解释： 1）由电力电子装置控制器设计不当引起；2）由电力电子装置呈现出的“负电阻”效应引起。 对机理的认识决定了如何进行系统设计和控制，因此机理认识具有根本性和全局性的意义。 3.研究内容1：：“负电阻”机理不能成立 当前基于阻抗模型对交流电网谐振稳定性进行分析陷入“削足适履”困境与“走断头路”困境。 “削足”指舍弃电力电子装置增量响应中的非高次谐波分量，进而对所推导的LTI模型精度造成实质性损害； “适履”指为满足LTI模型的频率保持特性，以便应用已成体系的LTI系统分析理论开展分析。 “走断头路”指的是虽然推导出电力电子装置的频率耦合阻抗模型不是问题；但如何使用电力电子装置的频率耦合阻抗模型是个问题，且目前这个问题没有解决的途径。 公众号·电力干货 3.研究内容2：宽频换流器模型 宽频电压源换流器模型 宽频电流源换流器模型 所有电力电子装置都可以用上述模型中的一种来表示，注意h为大于1的连续变量公众号·电力干货 3.研究内容3：宽频振荡的“谐波放大”机理 当电力电子装置所产生的谐波电压或谐波电流的频率恰好与网络中的某一谐振频率相近时，可能会致使该频率的谐波电压或谐波电流在电网的特定区域被放大，进而产生持续的等幅振荡，即出现宽频振荡现象。这样便将宽频振荡的机理阐释为网络谐振引发的“谐波放大”，从而构建 3.研究内容3：宽频振荡的“谐波放大”机理 相较于“负电阻”机理，新框架将宽频振荡机理阐释为因网络谐振所引发的“谐波放大”，二者的差异主要体现于络物理量中自由分量的发散振荡，而“谐波放大”机理所对应的宽频振荡则属于网络物理量中强制分量的放大。 二者均与网络谐振模态相关，但基于“负电阻”机理得出的宽频振荡发生判据是谐振模态处于复平面的右半平面；态阻尼比是否太小。 公众号·电力干货 3.研究内容4：模态阻尼比与谐波放大倍数 3.研究内容5：C型阻尼滤波器设计 C型阻尼滤波器 4.结论 1）运用基于双输入描述函数法推导得出的电力电子装置的增量小信号阻抗模型，对交流电网的谐振稳定性进行分析时，难以摆脱“削足适履”与“走断头路”的困境。因此，在此基础上发展而来的用于解释宽频振荡的“负电阻”机理以及抑制宽频振荡的“阻抗重塑”控制方法，在理论层面缺乏合理性。 2）采用宽频带电压源换流器模型和宽频带电流源换流器模型对电力电子装置进行描述时，可将电力电子装置的非线性特性以谐波电压源或谐波电流源的形式表示，进而能够运用 4.结论 3）基于电力电子装置的宽频带电压源换流器模型或宽频带电流源换流器模型，可将宽频振荡的机理阐释为网络谐振引发的“谐波放大”现象，从而构建起新能源电力系统宽频振荡机理分析的全新框架。 4）在新能源电力系统背景下，谐波频率不再是离散量，而可以认为是连续量。 5）基于宽频振荡的“谐波放大”机理，可借助功能强大的s域节点导纳矩阵法计算出正序网络的所有谐振模态，且谐振模态阻尼比与谐波放大倍数之间存在明确的反比关系。 公众号·电力干货 4.结论 所设计的C型阻尼滤波器在调谐频率点的复阻抗值等于电阻元件电阻值的一半；在大于调谐频率点的宽频带范围内，C型阻尼滤波器的阻抗角大于0但趋近于0，呈现轻微偏感性的电阻特性；C型阻尼滤波器在大于调谐频率点的宽频带内复阻抗值近似等于电阻元件的电阻值R；C型阻尼滤波器的基波容量越大，宽频带内的电阻值越小，阻尼效果越显著。 5.后续研究方向 主要在工程应用方面：借助功能强大的s域节点导纳矩阵法，对正在规划设计的新能源开发工程进行计算，排查发生宽频振荡的可能性。如发现谐振模态的阻尼比很小，且谐振频率与主导性谐波频率接近，就要准备解决谐波放大导致宽频振荡的解决方案了。 6.团队介绍 浙江大学直流输电科研团队已传承到第三代，由黄莹教授担任负责人，围绕沙戈荒新能源直流送出、海上风电直流送出受端电网新能源消纳等国家重大需求开展研究工作。公众号·电力干货 7.作者简介 徐政，浙江大学二级教授，IEEEFellowW，电力科学技术杰出贡献奖获得者，2025年终身科学影响力全球前3万名顶尖科学家。在直流输电系统原理、成套设计和交直流电力系统规划等方面取得了一系列创新成果，产生了巨大的经济效益和社会效益，在国内外具有重要的学术影响力，为推动直流输电事业的发展作出重大贡献。出版专著5部、译著12部，2012年出版的专著《柔性直流输电系统》在2012年以来中国出版的电工技术类图书中引用数排名第发表论文600余篇，其中单篇最高SCI引用数超过1000次。已培养全日制研究生136人，其中获博士学位56人、硕士学位80人。担任中国南方电网公司专家委员会委员。 轴公众号·电力干货 宽频振荡机理及其基于C型阻尼滤波器的抑制技术 徐政 （浙江大学电气工程学院，杭州310027) 摘要：对新能源电力系统中的宽频振荡机理及其抑制技术进行了探讨。基于阻抗模型分析了交流电网谱振稳定性所处的两难围境，论证了宽频振荡的“负电阻"机理不能成立。提出了用宽频带电压源换流器模型和宽频带电流源换流器模型来描速电力电子装置的通用方法，从而将电力电子装置的非线性特性用谱波电压源和谐波电流源来表示；使得新能源电力系统仍然可以用线性系统来描述，并将宽频振荡的机理解释为由网络谱探引起的“请波放大”现象，从而建立了新能源电力系统宽频振荡机理解释的一个新想架。通过对两种基本谐振电路的分析，导出了谐振模态阻尼比与谐波放大倍数之间的关系，为基于s域节点导纳矩阵法和C型阻尼滤波器分析与抑制宽频振荡奠定了理论基础。基于最大组尼准则提出了C型组尼滤波器的一种设计方法，所设计的C型组尼滤波器具有很强的宽频带组尼作用。 关键词：宽频振荡；负电阻机理；宽顿带换流器模型；谱振模态阻尼比；C型阻尼滤波器；S域节点导谢短阵法 Broadband Oscillation Mechanism and Its Suppression Technology Based onC-Type Damping Filter XU Zheng(College of Electric Engineering, Zhejang University, Hangzhou 310027, China) Abstract: The mechanisms of broadband oscillations in renewable energy power systems and their suppression technologies arediscussed. Starting from the dilemma faced in analyzing AC grid resonance stability based on impedance models, it is demonstratedthat the "negative resistance" mechanism of broadband oscillations is untenable. A general method is proposed to describe powerelectronic devices using broadband voltage source converter models and broadband current source converter models, therebyrepresenting the nonlinear characteristics of powerelectronic devices with hamonic voltage sources and harmonic current sources.lations as a “harmonic amplification" phenomenon caused by network resonance, thus establishing a new framework for explainingthe mechanisms of broadband oscillations in renewable energy power systems. Through analysis of two basic resonant circuits, therelationship between resonant mode damping ratio and harmonic amplification factor is derived, laying the theoretical foundation foranalyzing and suppessing broadbandoscillations basedon the s-domainnodal admittance matrixmethod andC-typedampingfilters.Based on the maximum damping criterion, a design method for C-type damping flters is proposed, and the designed C-type dampingfilters exhibit strong broadiband damping effects. Key words: broadband oscillation; negative resistance mechanism; broadband converter model; resonance mode damping ratio; C-type damping filter; s-domain nodal admittance matrix method 2基于阻抗模型分析交流电网谐振稳定性的两难困境 0引言 随着新能源电力系统建设的深人，电力系统在源网荷储4个层面越来越表现出电力电子化特征，使得以往较少出现的宽频振荡问题变得越来越普遍。国内外已有大量文献报道了发生宽频振荡现象的案例"-]，包括交流电网中的宽频振荡现象[1-2]和直流电网中的宽频振荡现象[3。 文献[4]给出了基于电力电子装置阻抗模型进行交流电网谐振稳定性分析和控制不能成立的理由。主要论点如下。 阻抗模型归属于电力电子装置的线性化模型，其理论依据并非基于泰勒级数展开原理的局部线性化方法，而是基于谐波平衡原理的谐波线性化（harmoniclinearization）方法。谐波线性化方法，亦称描述函数法，是20世纪30年代提出、40年代得以发展和完善的一种针对非线性装置的近似分析方法[11-16]。谐波线性化方法的基本原理是让非线性装置线性化后的数学模型满足线性时不变(lineartime-invariant，LTI)模型的一项基本特性一一频率保持特性，即单一频率激励产生相同频率响应的特性。依据此原理，谐波线性化方法并不关注非线性装置线性化后的数学模型对原非线性装置特性的措述精确与否。谐波线性化方法的优势在于能够为一般性的非线性装置构建一个准LTI模型，进而总能借助LTI系统理论对包含该非线性装置的系统展开分析。应用谐波线性化方法的一个根本性难题在于所构建的装置的准LTI模型往往精度欠佳，因而基于该装置的准LTI模型运用LTI系统理论进行稳定性分析所得到的