“新能源输配电系统柔性互联装备及控制技术”专题:特约主编寄语

在新能源并网渗透率快速攀升的背景下,发展输配电系统先进柔性互联电力电子装备及控制技术对优化电网运行水平、提升新能源消纳能力、改善电网电能质量意义重大。然而,新型柔性互联电力电子装备还存在着控制灵活性不足、复杂电网环境适应性差、装备故障辨识困难等挑战。

直驱风电场经MMC-HVDC并网送端系统稳定性分析及振荡抑制

基于模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的高压直流输电HVDC(high voltage direct current transmission)因具有无源网络支撑等优势而被广泛应用于大容量新能源外送消纳。受电力电子设备交互作用等因素影响,送端系统易发生振荡失稳现象。首先,建立了直驱风电场经MMC-HVDC并网送端系统的小扰动线性化模型,分析了风场有功输出对系统稳定性的影响。然后,建立了MMC及风机并网变流器交流侧dq阻抗模型,从阻抗角度揭示了送端系统振荡失稳机理。进一步,提出了基于MMC交流电压控制外环q轴附加阻尼的振荡抑制策略,可满足系统满功率范围内的运行稳定性要求。最后,基于全比例模型的仿真结果验证了所提振荡抑制策略的有效性。

含UDE附加阻尼支路的构网型直驱永磁同步风电机组次同步振荡抑制策略

针对构网型直驱永磁同步风电机组在弱电网下的次同步振荡问题,该文提出了基于不确定性和扰动估计器(UDE)的附加阻尼支路振荡抑制策略。首先,网侧变流器采用虚拟同步机(VSG)技术,并基于谐波线性化理论建立了网侧变流器序阻抗模型;其次,深入分析引入电压电流双闭环控制对弱电网下构网型直驱永磁同步风电机组产生次同步振荡的影响特性,提出了电流环引入UDE附加阻尼支路的振荡抑制策略,并基于UDE的附加阻尼控制采用滤波带宽思想对系统扰动进行估计,通过动态电压补偿方式实现阻尼支撑,可有效抑制次同步振荡,提升系统鲁棒性;最后,通过时域仿真验证了所提振荡抑制方法的有效性。

非隔离型单相三桥臂统一电能质量控制器直流侧电压灵活调节与波动抑制技术

非隔离型单相三桥臂统一电能质量控制器(UPQC)可以实现交流电压调节和并网点无功治理等功能,但传统控制方法直流侧母线电压高、二倍频波动大,既给设备带来巨大的电容成本,又影响设备的安全可靠运行。为了解决这些问题,该文详细分析了不同工况下直流侧电压的约束范围,推导了直流电压波动随并网点和负载功率因数、串联电压补偿相位、参考直流电压等复杂因素的关联性,并提出一种直流电压灵活降低与主动波动抑制控制方法。相比于传统控制,应用所提方法母线电压可降低至相电压峰值附近,二倍频电压波动可降低约80%。最后,实验验证了所提三桥臂UPQC直流电压控制技术的正确性。

一种基于静态特性的直线感应电机参数辨识方法

直线感应电机(LIM)具有机械间隙大、定转子漏感差别明显、边缘效应影响等特点,准确测量电机参数难度较大。通常的电机空载试验参数测量方法在直线轨道上难于实施,特别是用于地铁和磁浮列车牵引的直线电机,由于运动位置重复性差,在线辨识实现困难。本文提出一种新的基于变频器驱动的直线感应电机等效电路参数辨识方法,利用不同频率时的电机推力、变频器输出电压和电流等静态堵转特性,结合最小二乘法推算出适合控制用的直线感应电机等效电路中的初级电阻、漏感、次级等效电阻和漏感参数。测量设备即为实际驱动电机的变频器。对一台基于直线感应电机牵引系统的测试结果表明了该方法的有效性。

基于加权电流控制的多功能分布式电源电能质量控制

可再生能源微电网存在着大量的分布式电源等电力电子装置和非线性负载,其相互影响使得谐波振荡等电能质量问题日趋严重.另外,本地负荷谐波容易和分布式电源输出滤波器发生复杂的相互作用,若设计和实施不当容易放大谐波.为了克服以上问题同时降低谐波补偿的成本,提出了一种基于加权电流无差拍控制的新型分布式电源电能质量控制方法.首先,构建了虚拟输出滤波器系统的数学模型,将LCL滤波器的三阶系统降低为加权平均电流相应的一阶虚拟电感滤波器.其次,为了满足谐波补偿对高带宽控制器的要求,以及电流快速跟踪响应的需求,提出了加权平均电流的无差拍控制器算法,通过该方法增加有源阻尼,以抑制滤波器振荡.通过揭示加权平均电流和并网点电流的内在关系,引入了一个谐波补偿项,该方法存在本地非线性负荷的情况下,不需额外增加电流传感器和谐波电流提取环节,即可有效补偿本地负载谐波,降低并网电流的THD至5%以下,显著改善并网点电能质量.最后本文通过多个场景的Matlab/Simulink仿真验证结果,当负载跳变或参考给定电流突变时,并网电流超调小并且快速跟踪响应,另外验证了当电网电压发生畸变时,并网电流不会受谐波电压的影响,以上仿真实验证实了该方法的适应性和有效性.

新能源配电网电能质量典型问题分析及应对策略

随着可再生能源发电在中低压配电网中接入比例不断升高,加上电力电子化冲击性、非线性负荷的大量应用,现代配电网中的电能质量问题受到广泛关注。选取电压质量、三相不平衡和谐波谐振三个电能质量典型问题进行概述,并结合国内外研究现状,针对每种典型电能质量问题梳理出若干条相对应的治理方案,最后总结出引发新能源配电网电能质量问题的原因虽然是电力电子技术的大规模应用,但电力电子化治理方案也是未来新能源配电网电能质量问题治理中必不可少的角色。

交直流配电网中柔性软开关接入的规划-运行协同优化方法

含分布式源-储-荷的直流配电系统需要通过柔性软开关等电力电子化配电设备与交流系统互联,构成的交直流混合系统不仅可以提高系统整体的可靠性,还可以通过灵活的潮流控制优化系统运行方式,并降低系统损耗。由于用以交直流系统互联的柔性软开关接入方案对全系统可靠性和最优运行方式都有影响,针对这一规划-运行协同问题,首先提出了交直流混合系统的改进显式可靠性计算方法,进而建立了考虑可靠性经济成本和网损的交直流混合配电系统规划-运行协同双层优化模型。上层模型基于加权功率传输分布因数,以系统传输损耗最优为目标确定柔性软开关的接入方案,下层以可靠性成本最低为目标获取交直流混合系统的最优运行方式。最后,在算例系统中进行了仿真对比验证。结果表明,所提出的规划-运行协同优化方法能够有效提升交直流混合系统的可靠性和经济性。

电流源-电压源变流器混合并联独立供电系统的分布式功率控制

针对电流源型变流器和电压源型变流器共同支撑的混合型独立微电网,提出了一种适用于电流源-电压源变流器混合系统支撑独立微电网功率控制的新型下垂控制策略。其中,电压源型变流器仍采用传统的P-f、Q-V下垂控制,而电流源型变流器通过虚拟电流矢量在电压定向轴方向的投影来模拟有功电流的大小;无功电流是基于电压源无功下垂控制的对偶性,结合dq轴物理量之间的耦合特性,通过d轴电压计算得到,在不需要检测无功功率的基础上实现了无功功率的分布式控制。电流源仅通过电流环路便可实现和电压源之间合理的功率分配。通过建立小信号模型,对系统的稳定性进行了分析。最后,通过仿真验证了所提控制策略和参数设计的有效性。

基于绕组函数法的大功率单边直线感应电机牵引特性研究

将麦克斯韦方程和绕组函数法相结合,得到单边直线感应电机(single linear induction motor,SLIM)的初级、次级基波和边端效应波绕组函数。由绕组函数理论计算出电感、运动电势系数,建立电压和磁链方程。由初、次级能量关系得到推力方程并进一步求解相关特性量。对不同工况的暂态和稳态特性进行分析。将大功率电机全过程中相电流、推力、效率的计算值与测量值进行比较。试验结果表明,绕组函数法能较合理地描述SLIM特性,具有一定实用性。

单边直线感应电机法向力牵引力解耦控制

单边直线感应电机(single-sided linear induction motor,SLIM)的法向力和牵引力可以通过初级和次级磁链的幅值和夹角表示。通过选择PWM变频器最优电压矢量、改变磁链的瞬态幅值及夹角,可以实现单边直线感应电机法向力和牵引力的解耦控制。由此可以将单边直线感应电机的法向力和牵引力分别用于直线电机车辆的悬浮及牵引控制,实现不设悬浮电磁铁的直线感应电机车辆的悬浮牵引同时运行。实验结果表明,在整个运行期间,悬浮牵引兼用直线电机车辆的悬浮气隙及运行速度均能快速的跟踪给定值,体现了良好的精度和稳定性能。提出的力解耦控制方案得到了较好的验证。

含新能源接入的多应急电源组网系统功率自适应控制策略

随着配电网大量分布式新能源的接入,功率倒送的现象时有发生,为了在检修供电、应急及保电等特殊场景下实现安全稳定的持续供电,对柴油发电机组和新能源逆变器等多类型应急电源的组网控制及功率分配进行了研究。应急组网系统中柴油发电机组采用下垂控制实现无通讯并联,若新能源逆变器始终保持最大功率输出则难以避免功率倒灌,根据锁相环检测的网侧频率决定逆变器工作在最大功率或有限功率,提出了基于有功频率下垂控制的多应急电源无通讯功率自适应控制策略。搭建了柴油发电机组和并网逆变器的仿真模型,仿真结果表明在系统负荷全范围变化情况下,系统能够在充分利用新能源发电的基础上安全稳定运行,为柴油发电机组和新能源逆变器的改造升级提供解决方案。

直线感应电机间接磁场定向悬浮牵引联合控制

基于气隙磁密分析,建立了适用于间隙变化的直线感应电机动态数学模型以及推力和法向力表达式。针对直线感应电机的运行状况,分析了法向力的排斥力分量和吸引力分量的特点,提出了一种新颖的基于间接次级磁场定向的推力、法向力独立控制策略。仅仅依靠单边直线感应电动机,实现了静态和动态稳定悬浮、以及悬浮状态下的稳定牵引运动,并在一台直线感应电机模型车辆上进行了实验。实验结果表明,提出的解耦控制方案对直线感应电机的悬浮牵引联合控制具有良好的效果。

面向单相微电网的双模式并联逆变器协调控制方法

微电网中的接口变流器往往采用电压控制方法或电流控制方法。对于电压控制方法,其优点是可以应用在并网/孤岛两种模式下,然而缺点是功率控制动态响应慢。电流控制方法的优点是动态响应快,但是不能应用在孤岛模式。采用分布式电源通过两个并联逆变器接入电网的结构,与传统方法不同的是,其中一个逆变器采用电压控制,另一个逆变器采用电流控制。这种方式可以同时发挥两种控制方法的优势。与此同时,加入功率耦合环节,提高电压控制逆变器和整个系统的动态特性。单相双逆变器的仿真和实验结果证实了所提出的结构与控制方法的有效性。

交通用大功率直线异步电动机牵引特性

从直线异步电动机二维电磁场角度入手,采用虚拟电动势法求出相电流和励磁电压表达式,接着把Maxwell电磁场方程、复功率法、保角变换法结合起来,充分考虑端部半填充槽、铁轭磁饱和、次级背铁电阻的影响,对气隙磁链方程进行推导。利用场路复量功率相等关系,本文分别求解出励磁电抗xm0、次级等效电阻r′2、次级漏抗x2、纵向边缘效应校正系数Kr(s)和Kx(s)、横向边端效应校正系数Cr(s)和Cx(s)、集肤效应校正系数Kf。在旋转异步电机T型模型基础上,利用叠加原理,本文提出一种改进的直线电动机T型等效模型。用该模型对日本12000型直线异步电动机牵引特性进行了详细分析,将其中推力、相电流、功率因数、效率变化量与日本著名学者Nonaka的空间谐波法和电机特性试验数据进行比较。结果表明,该模型真实可信,较好地满足工程应用要求,对交通用大功率直线异步电动机的设计和优化奠定了基础,具有较好的参考价值。

基于扩展绕组函数的直线异步电动机动态特性

基于绕组函数概念提出了单边直线异步电动机的扩展绕组函数,不仅适用于电机极数为偶数的情况,也满足直线异步电动机极数可能为奇数的特点。该扩展绕组函数能够方便计算直线异步电动机静态纵向边缘效应带来的三相绕组不对称对电机性能的影响。同时,该方法在计算直线电机俯仰状态和电磁气隙不均匀等情况下的初级绕组电感、动态推力和法向力等方面应用效果良好。

基于有限元方法的悬浮牵引兼用直线感应电机的动态性能分析

利用有限元方法建立了直线感应电机的二维瞬态电磁场模型,计算了直线感应电机启动时的动态性能,计算结果表明直线感应电机推力和法向力存在一定的振动,利用后处理方法计算了不同时刻直线感应电机气隙磁密的分布,通过张量法分析了法向力存在振动的原因。

基于开绕组DFIG的交直流混合系统功率协调策略

为了提高风电机组与储能单元构建的独立供电系统的供电可靠性,针对开绕组双馈电机和储能单元构建的独立交直流混合供电系统,提出了一种基于下垂控制的功率协调控制方法。该方法采用分层控制,根据储能单元功率变化和荷电状态SOC(state ofcharge),对开绕组双馈电机定子侧变换器的下垂系数进行调整,协调系统中交、直流侧功率,保持各个储能单元输出的功率平衡,实现各个储能单元SOC均衡,提高系统稳定性。仿真结果表明,所提方案可有效协调系统的交、直流侧功率,保证各储能单元的SOC均衡。

基于串联DFIG的独立直流电网功率协调控制

双馈感应发电机(DFIG)与储能单元配合是实现独立电网稳定运行的一种有效手段。针对独立直流电网功率灵活控制的需求,提出了一种基于储能单元配合的双馈风力发电系统直接串联的独立直流微电网供电方案,即通过直流虚拟阻抗控制调整各个串联双馈风电单元的直流端口电压的方案,在确保独立直流电网电压稳定的前提下,实现各个双馈风力发电单元间功率的灵活协调控制,使捕获风能较多的单元承担更多的功率,而捕获风能较少的单元提供较少的功率。仿真结果验证了所提方案在多种工况下的有效性。

面向低压大容量直流供电的混合型AC/DC接口变流器解耦控制

为解决传统基于电流源型整流器(currentsourcerectifier,CSR)的两级式高降压比电力电子变换设备中存在的多控制目标之间的耦合问题,在所提出的相控电流源型整流器和输入串联输出并联LLC-DC/DC变换器相结合的混合型拓扑结构基础上,通过建立考虑系统直流环节电感电容的小信号模型,提出了一种在较低自由度下可同时实现交流侧功率因数和输出直流电压调节的解耦控制方法。通过绘制系统的根轨迹,分析了系统解耦前后控制参数对系统稳定性的影响。最后,通过RT-Lab半实物仿真验证了所提方法的有效性。