基于电气参数加权占比的新能源场站分布式调相机容量配置研究

新能源经高压直流外送系统逆变侧换相失败会导致送端系统暂态过电压问题。作为动态电压支撑设备之一的调相机可有效提升电网电压支撑强度,在抑制暂态过电压及加快故障恢复方面得到广泛关注。针对利用分布式调相机抑制暂态过电压问题,该文首先基于新能源多场站短路比分析电网强度影响因素;然后研究调相机接入对电网参数及强度的影响,同时利用灰色关联分析法计算影响因素与电网强度关联程度,进而以此为权重,提出综合考虑各电气参数影响的调相机容量配置依据指标α;最后以α和过电压水平为约束,研究分布式调相机容量配置方案,并利用机电暂态仿真,从经济性和有效性两个方面验证调相机容量配置方案正确性。

换相失败下直流控制参数对送端暂态电压影响机理分析

换相失败期间高压直流输电系统无功特性与控制参数密切相关,对送端系统暂态电压影响显著。首先阐述了换相失败期间送端暂态电压的形成机理,并指出故障期间暂态电压、直流无功特性与直流电流间的关系,进而提出一种建立直流电流方程来间接描述送端暂态电压的分析方法;然后,在此基础上,根据直流电流特性分阶段建立直流电流理论分析模型,通过分析控制参数对直流电流作用规律,进而揭示各控制参数对暂态电压的影响机理。最后基于PSCAD/EMTDC仿真平台对所得结论进行验证。

换相失败场景下构网型风机对送端暂态过电压影响因素分析及抑制策略研究

随着构网型直驱风机(GFM-PMSG)在风场中的逐步应用,混合型风场通过电网换相高压直流输电(LCC-HVDC)产生的换相失败问题,使得系统暂态稳定性面临严峻挑战。首先分析了暂态过电压发生机理,并研究了GFM-PMSG控制参数、电网强度对过电压的影响;然后提出了一种协同控制策略,通过优化GFM-PMSG与跟网型直驱风机(GFL-PMSG)在故障穿越期间的无功电流指令及其切换阀值,有效抑制了暂态峰值过电压,最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建混合风场经直流外送仿真模型,验证了该策略的有效性。

混合式潮流控制器关键参数设计与控制策略研究

随着分布式光伏等新能源接入电网的规模快速增长,给新能源电力汇聚、疏散、消纳和电网潮流优化控制带来严峻挑战。基于电力电子技术的柔性交流输电系统装置可有效提升输电网络的传输容量,由大容量Sen变压器(sen transformer,ST)和小容量统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)组成的混合式潮流控制器(hybrid unified power flow controller,HPFC)在实现潮流连续调节的基础上,能够有效提升装置的经济性,具有很好的应用前景。为了确保HPFC调节潮流的准确性和可靠性,给出了HPFC容量分配的一般性方法及其主电路参数确定方法;为解决ST机械有载分接开关和UPFC电力电子开关二者响应速度的协调问题,提出了一种基于预测电流控制的潮流控制策略,并在Simulink中搭建220 kV双回线路及三机九节点系统进行仿真。仿真结果验证了HPFC容量分配方法正确有效,且预测电流控制策略能够合理计算抽头位置,减缓过渡电流对HPFC控制系统的冲击,使系统功率快速调节至目标值。

适用于次同步振荡分析的直驱风电场平衡降阶方法

直驱风电场(direct-drive wind farm,DDWF)并入弱交流系统存在发生次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)的风险。由于DDWF模型阶数较高,实际分析时须降阶处理。现有平衡降阶方法在分析SSO问题时,无法在降阶过程中精确保留系统SSO模式。针对此问题,文中提出一种适用于SSO分析的平衡降阶方法。该方法基于参与因子分析,保留与SSO模式强相关的状态变量,并结合Hankel奇异值确定降阶阶数,建立与全阶系统模型SSO特性和动态特性都一致的降阶系统模型。首先,对DDWF并入弱交流系统的全阶小信号模型进行平衡变换,建立平衡系统模型。然后,对平衡系统模型进行参与因子分析,结合Hankel奇异值确定保留状态变量集合,再利用残差降阶法建立降阶系统模型。最后,对全阶系统模型和降阶系统模型进行对比验证,结果表明所提降阶方法适用于DDWF并入弱交流系统SSO问题的研究。

基于路径分析法的直驱风电场经柔直并网系统次同步振荡机理分析

针对直驱风电场经柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)并网系统的次同步振荡(subsynchronous oscillation,SSO)问题,目前研究在机理分析中难以揭示子系统之间的扰动传递过程和耦合关系,同时难以量化不同特性对于系统稳定的影响。因此,基于路径分析法开展系统的SSO机理研究,并以锁相环(phase-locked loop,PLL)振荡模态为例开展路径分析法的模态扩展。首先,采用模块化建模方法建立系统的线性化模型。其次,将转子运动方程的阻尼系数推广至振荡模态的主导元件动态方程,从而获取系统的稳定判据。然后,基于路径分析揭示子系统之间的扰动传递过程和耦合关系,基于阻尼分解量化风电场内部特性以及风电场与VSC-HVDC之间交互作用特性对于系统稳定的影响。最后,开展PLL控制参数对于阻尼特性的影响分析。结果表明:路径分析法可以应用于不同的振荡模态;直驱风电场与VSC-HVDC之间的扰动传递路径呈现双闭环耦合关系;通过增大直驱风电机组PLL比例系数或减小直驱风电机组PLL积分系数可以有效提高系统的总阻尼系数,从而提升系统的稳定性。

基于匹配控制的构网型直驱风电场次同步振荡机理与特性研究

近年来,具有低时延和惯量同步等优势的匹配控制成为主流构网型控制方案之一,但基于匹配控制的构网型直驱风电场的次同步振荡机理及特性尚不明确。因此,该文建立构网型直驱风电场并网系统的小信号模型,通过特征值法分析了系统的振荡模态及参与因子,并借鉴同步机中阻尼转矩法分析构网型直驱风电场的次同步振荡机理。结果表明,构网型直驱风电场中匹配控制主导的振荡模态在强电网下呈现负阻尼特性,系统存在次同步振荡的风险,但匹配控制振荡模态相较于跟网型控制的锁相环振荡模态具有更好的弱电网适应能力;匹配控制振荡模态存在类似于同步机转子运动方程的动态特性,使得构网型直驱风电场可能发生弱阻尼振荡;减小交流电网强度或无功控制器积分系数,增大构网型直驱风机台数或无功控制器比例系数,能够增大匹配控制振荡模态的阻尼,降低系统次同步振荡风险。

光伏电站与弱交流电网间次同步交互作用路径及阻尼特性分析

大规模光伏发电经长距离输电线路并入主网时,光伏电站和弱交流电网的交互作用可能使光伏并网系统面临次同步振荡(SSO)的威胁,但目前针对系统内部次同步交互作用的相关研究较少。针对上述问题,该文首先将阻尼转矩法推广到锁相环(PLL)振荡模态,并推导了光伏并网系统的线性化闭环传递函数框图。然后,基于闭环传递函数框图,揭示了PLL主导的SSO模式下系统阻尼构成和光伏电站与弱交流电网间动态交互过程。最后,借鉴等效阻尼系数量化评估了次同步交互作用的阻尼特性。结果表明,光伏并入弱交流电网系统存在PLL主导的SSO风险;光伏电站与弱交流电网的次同步交互作用向光伏并网系统提供负阻尼,是系统SSO的主导因素;增加PLL比例系数、交流电网强度、光伏电站光照强度或温度,减小PLL积分系数或光伏容量,能够增加次同步交互作用的阻尼贡献,提高光伏并网系统稳定性。时域仿真验证了理论分析结果的正确性。

基于惯性同步的构网型光伏并网系统次同步振荡特性分析

针对目前适用于单级式构网光伏发电并网系统的惯性同步控制策略及其次同步振荡特性鲜有研究这一问题,该文将惯性同步控制应用于构网型光伏发电系统,并建立其状态空间模型,利用特征值分析法确定系统振荡模式,最后利用参与因子和特征值根轨迹分析系统相关参数对振荡模式的影响。研究结果表明,构网型光伏并网系统具有更好的弱电网适应性,但在强电网下,存在直流电容和惯性同步环节共同主导的SSO模式,可通过增大直流电容和电压内环比例系数或减小电压内环积分系数来增大系统阻尼,提高系统稳定性。基于PSCAD/EMTDC时域仿真平台,验证了理论分析的正确性。

直驱风电场并网对直流输电引起的火电机组轴系扭振影响机理分析

火电机组与电网换相换流器高压直流输电(LCC-HVDC)间的次同步交互作用会引发火电机组轴系扭振(SSTI),而直驱风电场(DDWF)接入LCC-HVDC送端对SSTI阻尼特性的影响与机理尚未明确,相关研究有待开展。针对上述问题,该文基于DDWF与火电打捆经LCCHVDC送出系统,采用模块化建模法建立了小信号模型,使用特征值法分析了DDWF的接入与参数变化对LCC-HVDC引起的火电机组SSTI阻尼的影响;同时,针对特征值分析结果进行了机理分析。研究结果表明,DDWF会与火电机组共同承担LCC-HVDC的功率波动,削弱火电机组与LCC-HVDC间的次同步交互作用,从而增大SSTI阻尼,降低SSTI风险;当DDWF的容量增大、风速提升时,SSTI阻尼增大;当DDWF与LCC-HVDC整流站间电气距离增大时,SSTI阻尼降低;当LCC-HVDC整流侧由定电流控制转为定功率控制,或逆变侧由定电压控制转为定关断角控制时,SSTI阻尼降低。基于PSCAD/EMTDC平台进行了时域仿真,验证了特征值分析与机理分析的正确性。

直驱风电场并网对火电机组次同步谐振影响

直驱风电场(D-DWF)接入火电经串补外送系统后,其对火电机组的次同步谐振(SSR)影响机理尚不明确。针对风火打捆经串补点对网型系统,采用适用于模块化建模的状态变量消去方法,建立模块化的耦合小信号模型;利用特征值分析法研究D-DWF接入后系统的SSR情况;结合特征值分析结果阐释SSR机理,并针对D-DWF及串补线路参数进行阻尼分析。研究结果表明:D-DWF会引入与SSR频率相近并引起“共振”的一个新模态,使得“机电谐振”与“模态频率接近”的振荡机理耦合共存。在跟网型风机的控制策略及参数下,D-DWF并入会导致SSR模态阻尼大幅降低,恶化系统的SSR。随着D-DWF的容量、风速和系统串补度降低,系统阻尼将提高,SSR的风险将降低。基于PSCAD/EMTDC平台的电磁暂态仿真,验证了机理分析的正确性。

基于合作-非合作博弈的光储荷网协同运行策略

针对光伏发电主体与电力用户进行电力直接交易的问题,利用合作-非合作两阶段博弈理论,对光储荷组成的微网系统与电网协同运行的过程展开优化调度和协商议价两阶段的研究。第一阶段通过优化调度提高联盟收益,针对微电网运行特性搭建数学模型,采用交替方向乘子法以避免在交易过程中出现电量由于叠加作用而相互抵消的情况,利用合作博弈得到调度结果;第二阶段首先分析电价对交易模式的影响,搭建光伏发电主体与用户协商议价模型,在天牛须搜索算法的基础上进行改进,采用与自适应矩估计相结合的讨价还价模型,利用非合作博弈分配收益得到最优交易电价。最后通过算例验证模型的可行性,结果表明所搭模型在提高微网收益的同时,通过市场的引导作用提升光伏消纳水平。

基于关断角偏差量的背靠背直流系统换相失败抑制研究

STATCOM的输出特性极易受到不同工况影响而未达到理想的出力状态。在换流站、受端系统和STATCOM的无功交互作用下,STATCOM存在超调及输出能力不足问题,后者增大了系统发生换相失败概率。提出一种新型附加关断角偏差量作为STATCOM无功电压协调控制策略。首先,分析不同工况下STATCOM输出特性;其次,基于受端电气量的暂态变化过程对无功控制环节进行改进。最后,以南方某背靠背受端电网为工程背景,基于Pscad/Emtdc仿真平台验证了所提协调控制策略的有效性。

基于滑模控制的直驱风电场次同步振荡抑制策略

当直驱风电场(DDWF)并入弱交流系统中发生次同步振荡(SSO)时,网侧变流器(GSC)电流内环的PI控制器会放大DDWF并网电流中所含的次同步电流分量,进而形成由交流系统、GSC及其控制系统构成的次同步电流助增正反馈回路,最终导致系统SSO失稳。针对这一问题,该文提出一种基于GSC电流内环滑模控制(SMC)的直驱风电场SSO抑制策略。首先,建立DDWF并入弱交流系统的动态模型,推导由PI控制器主导的DDWF并入弱交流系统SSO的形成机理。然后,为了切断系统的次同步电流助增正反馈回路,设计基于指数趋近律的SMC控制器,并以SMC控制器替换原GSC电流内环中的PI控制器,通过理论推导证明GSC电流内环SMC控制器能有效抑制系统SSO。最后,在PSCAD/EMTDC中,以DDWF并入弱交流系统作为算例,验证所提SSO抑制策略的有效性。

数据驱动的风光场站次同步振荡多机协同阻尼控制方法

随着光伏、风电在电网中接入规模的快速增长,电力系统次同步振荡问题逐渐凸显。该文针对包含光伏、双馈风电机组的等效多机新能源场站,提出一种数据驱动的抑制次同步振荡的多机协同阻尼控制方法。首先,结合新能源并网系统的结构与次同步振荡阻尼方法,确定了阻尼控制器信号的输入、输出位置。其次,将次同步振荡场景下的新能源场站等效多机并网系统简化为多输入单输出系统,基于紧格式动态线性化理论,提出了适合光伏、风电多机协同的无模型自适应次同步振荡阻尼控制方法,并对控制参数进行了优化。最后,在IEEE 39节点系统增加新能源接入场景中进行测试,阻抗频率分析与仿真结果均体现出该控制方法能有效提升系统的阻尼。在考虑阻尼控制器投入时间、新能源场站规模、风光出力占比等不同的情况下,验证了该控制方法的有效性和适应性。该控制方法对振荡频率的偏移不敏感,并对系统的大小扰动具有较强的适应能力,体现出良好的次同步振荡阻尼性能。

双馈风电机组次同步振荡阻尼特性与抑制策略

大规模风电经固定串补线路送出时,双馈风电机组(DFIG)会由于转子侧换流器(RSC)与固定串补之间相互作用而引起一种新的次同步振荡问题,称为次同步控制相互作用(SSCI)。在分析DFIG换流器的工作原理及输出特性的基础上,建立其基于交流受控电压源和直流受控电流源的等效仿真模型,避免了开关器件的高次谐波对DFIG电气阻尼计算结果的影响,提高了仿真效率。基于等效模型,采用时域实现的复转矩系数法,计算DFIG在次同步频率范围内的电气阻尼特性,进而分析风速、转子侧换流器PI参数、串补度和线路电阻对电气阻尼特性的影响。分析结果表明,风速的减小、内环增益的增大、积分时间常数的减小、串补度的增加以及线路电阻的减小都会增加DFIG电气负阻尼;外环PI参数对DFIG阻尼特性影响不大。提出在DFIG RSC中附加混合次同步阻尼控制器(H-SSDC)来抑制SSCI的方法,仿真结果验证了其有效性。

大规模光伏电站并网的振荡模式分析

随着光伏电站容量的不断增大,其对于电网稳定性的影响也日趋明显。建立了大规模光伏电站并网系统的等值模型,采用特征值法和时域仿真验证其准确性。基于等值模型采用特征值法分析了大规模光伏电站的振荡模式,并研究了光伏逆变器的控制器参数、光伏阵列结构以及交流系统强弱对振荡模式的影响。仿真结果表明:光伏并网系统中主要包含正阻尼的次同步振荡模式和低频振荡模式,其中次同步振荡模式主要受q轴电流PI参数的影响,低频振荡模式主要受外环电压和d轴电流PI参数的影响;光伏阵列结构的变化对系统振荡模式有影响,会使系统中与直流电压相关的模式由非振荡状态变为振荡状态;交流系统变弱会导致振荡模态阻尼减弱,威胁系统的安全稳定运行。时域仿真验证了特征值分析的正确性。

高压直流输电系统附加次同步振荡阻尼控制器的设计与实现

针对抑制由HVDC引起的次同步振荡问题,阐述了附加次同步振荡阻尼控制器(SSDC)抑制次同步振荡(SSO)的原理。对SSDC设计中的控制器结构、输入信号的选取、相位补偿和增益调整等方面进行了重点论述,分析了不同方案的优缺点。从工程应用的角度,提出了一种便于工程实现的SSDC设计方案。在此基础上,针对东北-华北联网的高岭背靠背换流站附近绥中发电机组的次同步振荡问题,设计了相应的SSDC。实时数字仿真(RTDS)和实际控制器的闭环试验验证了所设计的SSDC能有效地抑制SSO,并对HVDC的动态特性影响较小。

混合串联补偿装置抑制次同步谐振的研究

分析了由静止同步串联补偿器(SSSC)与固定串联电容器(FSC)组成的混合串联补偿装置(HSC)的原理,研究了HSC安装位置和补偿容量配比对发电机电气阻尼特性的影响。结果表明,在不采用主动阻尼控制时,HSC自身能够缓解但不能从根本上解决次同步谐振(SSR)问题。提出了SSSC主动阻尼SSR的控制机理,即通过对SSSC的电压参考值(电抗参考值)进行次同步频率调制,控制其输出电压的幅值和相位使其在系统中产生大小和相位适当的模态互补频率电流,进而在发电机中产生对应模态的阻尼扭矩,实现主动阻尼SSR的目的。设计了主动阻尼控制器,提出了其参数整定方法。复转矩系数法和时域仿真法结果表明,采用主动阻尼控制后,HSC能够有效地抑制SSR。

双馈风电场经LCC-HVDC送出的次同步振荡特性研究

双馈风电场经柔性直流输电并网或经串补线路送出时均发生过次同步振荡(subsynchronous oscillation,SSO),而双馈风电场经电网换相高压直流输电(line-commutatedconverter based high voltage direct current,LCC-HVDC)送出时是否会出现SSO尚不明确,亟需开展相关研究。该文采用模块化建模方法建立研究系统的小信号模型,并将其与PSCAD/EMTDC中的电磁暂态模型进行阶跃响应对比,验证小信号模型的正确性。然后,通过特征值分析及参与因子分析研究双馈风电场和LCC-HVDC间的相互作用,并分析系统参数改变对稳定性的影响。结果显示,不存在双馈风电场和LCC-HVDC的状态变量共同参与的振荡模式,表明双馈风电场和LCC-HVDC间的相互作用不明显,不会由此导致SSO;当并网风电机组台数或输电线路长度增加时,发电机模式阻尼增强,锁相环-直流电压外环模式阻尼减弱。