含跟网和构网型新能源发电单元的混联电力系统暂态同步稳定分析

在新能源发电单元与同步发电机共同接入的混联电力系统中,不同同步方式新能源间,新能源与同步发电机间耦合复杂,深刻影响系统的暂态同步稳定性。为揭示电网对称短路故障下不同发电单元间的动态耦合机理及其对系统暂态同步稳定性的作用机制,该文首先建立故障条件下混联系统的暂态稳定分析数学模型。随后,利用空间矢量图示法与相平面法分析跟网型新能源发电单元注入电流、锁相环参数以及构网型新能源发电单元有功控制环参数等因素对混联系统内各发电单元暂态同步稳定性的影响规律,并据此给出系统控制器参数的设计原则。最后,通过不同工况下的仿真验证理论分析的正确性。

功率耦合和电流限幅影响下构网型变流器的暂态同步稳定分析

在有限过流能力的构网型变流器中,有功和无功环之间的功率耦合以及电压电流环之间的电流限幅,会极大地影响变流器与电网的同步过程。因此,该文致力于研究大扰动故障下功率耦合和电流限幅对变流器暂态同步稳定性的影响。首先,考虑上述环节建立构网型变流器并网系统的降阶模型;然后,构建包含构网型控制主要状态变量(功角、频率和输出电压)的能量函数,并在此基础上通过拉塞尔理论估计变流器的吸引域及其对应的暂态稳定裕度。分析表明,功率耦合和电流限幅分别通过影响等效势能和阻尼分布削弱变流器的暂态同步稳定性。由此,该文提出一种基于虚拟阻抗和功率解耦的构网型控制优化策略,以抑制功率耦合和电流限幅引入的负面影响。最后,仿真和实验结果验证上述理论分析的正确性。

计及阻尼和角速度的锁相环暂态同步稳定性分析与提升方法

电力电子装置在电网中渗透率的不断提高导致电网强度和惯量降低,电网故障下暂态同步稳定问题日益突出。针对弱电网故障下并网逆变器的暂态失步问题,建立了计及锁相环阻尼和故障瞬间初始角速度的并网逆变器暂态同步模型,分析了锁相环阻尼和初始角速度变化对暂态同步稳定性的影响规律。提出了基于频率偏差反馈矫正的锁相环附加阻尼控制方法,以提升并网逆变器的暂态同步稳定性。针对不存在稳定平衡点的严重电网故障带来的暂态失步问题,提出了锁相环输出角速度动态补偿方法,实现了故障恢复后系统的稳定运行。最后,搭建硬件在环实验平台,对理论分析和控制方法进行了验证。

计及阻尼特性的构网型并网逆变器暂态同步稳定性分析

构网型并网逆变器(GFM-GCI)可以为电网提供电压和频率支撑,有利于提高电网稳定性。首先,针对GFM-GCI的暂态同步稳定问题,在考虑阻尼特性的基础上采用等面积法则,从能量角度定性分析GFM-GCI控制参数对暂态同步稳定性的影响机理。然后,采用摄动理论中的多尺度法得到功角非线性二阶微分方程的显式解析解,定量分析控制参数对GFM-GCI暂态同步稳定性的影响。接着,基于解析解和暂态同步稳定边界,给出一种面向GFM-GCI暂态同步稳定的控制参数设计方法,所提控制参数设计方法与现有传统暂态分析方法相比,保守性更低。最后,通过仿真和实验验证了理论分析、解析模型与所提控制参数设计方法的有效性。

采用功率同步控制的构网型换流器并网暂态同步稳定研究

采用PSC(功率同步控制)的构网型换流器在电力系统中的比例逐年增加,然而对其暂态同步稳定性却缺乏深入研究。对此,分析了采用PSC的构网型换流器并网暂态同步稳定机理,并提出改善换流器暂态稳定性的措施。首先,建立了电网故障期间采用PSC的构网型换流器的暂态稳定模型。随后,基于相图曲线方法,研究了换流器失稳机理以及电压耦合对暂态同步稳定性的影响,并根据电压耦合作用提出通过动态调节有功功率指令值以提升暂态同步稳定性的控制策略。最后,利用PSCAD/EMTDC搭建某市等值系统电磁暂态仿真模型,验证了不同故障工况下换流器并网系统暂态稳定机理的正确性与稳定增强措施的有效性。

虚拟同步机孤岛并联系统暂态同步稳定性分析

针对虚拟同步机孤岛并联系统暂态失稳机理不明且传统等面积法则定量计算保守性强的问题,提出了一种考虑阻尼缩放的改进等面积法则。该方法运用等面积法则,将阻尼项抵消的不平衡功率缩放为对功角可积项,可定量计算虚拟同步机控制参数对并联供电系统极限切除角和极限切除时间的影响。研究结果表明,虚拟同步机的虚拟阻尼对暂态稳定性影响较大。虚拟阻尼与极限切除角和极限切除时间呈正相关;虚拟惯量与极限切除角呈负相关,与极限切除时间呈正相关,在系统容量充足的情况下应优先考虑提升虚拟阻尼。另外,初步探索了计及虚拟同步发电机过流保护的多机并联系统暂态同步稳定性研究思路,并分析了所提方法在多机系统中的适用性。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台验证了理论分析和所提方法的正确性。

PLL-GFC型MMC-HVDC暂态同步稳定性研究

PLL-GFC(基于锁相环的构网型换流器)具备频率与电压调节能力,然而目前对其接入高压交流电网后的暂态同步稳定性缺乏深入了解。为此,对PLL-GFC型MMC-HVDC(模块化多电平换流器型高压直流输电)暂态同步稳定机理展开研究。首先,介绍PLL-GFC型MMC-HVDC控制策略并分析其功率响应特性。然后,建立MMC-HVDC并网系统暂态同步稳定模型,采用相图曲线方法分析电网故障后换流器失稳机理以及电网电流动态变化对其暂态同步稳定性的影响。研究发现稳定平衡点的存在是换流器并网系统故障后暂态稳定的关键因素,由此提出通过动态调节有功电流指令值来提升暂态同步稳定性的增强措施。最后,通过PSCAD/EMTDC搭建电磁暂态仿真模型,验证了失稳机理分析的正确性与增强措施的有效性。

新能源电力系统的暂态同步稳定研究综述

全球范围内的能源变革加快了新能源电力系统的发展,大量以电力电子为并网接口的新能源装备逐步成为电力系统的主体。与传统同步发电机组不同,新能源装备的动态行为主要由控制策略决定,大规模新能源接入将全面深刻改变电力系统的动态特性。该文关注新能源装备接入所引发的电力系统暂态同步稳定问题,从装备和系统两个层面展开综述。在装备层面,从静态失稳和动态失稳两方面分析了新能源装备的暂态同步稳定性,总结了跟网型和构网型同步控制这两类策略的分析方法、失稳机理和致稳方法;在系统层面,讨论了不同发电组成的新能源电力系统中的多机动态交互现象和由此引发的同步失稳机理;最后,总结了现有研究的主要结论,针对在稳定性分类、分析方法、控制方法和系统层面的稳定性研究存在的不足,展望了新能源电力系统暂态同步稳定研究未来可能的发展方向。

锁相同步型风机–同步机互联电力系统转子转速尺度暂态同步稳定性分析

为实现"碳达峰、碳中和",我国将构建以新能源为主体的新型电力系统,风机将逐步替代同步机成为未来电力系统中的主力电源。迥异于由转子运动方程决定的同步发电机,风机暂态特性由其控制策略决定。这使得系统的同步过程由"物理主导同步"逐渐演变为"控制主导同步",导致电力系统暂态同步机制和稳定问题更为复杂。目前研究多采用数值仿真手段分析风机对同步机相对功角暂态稳定性的影响,对风机与同步机的暂态同步过程以及可能出现的暂态稳定问题认识尚不清晰。文中梳理以风电为主体的电力系统与传统电力系统暂态同步稳定问题的异同,并深入研究基于锁相同步的风电与同步机互联系统的同步过程。接着,以内电势为视角,分析不同控制方式下风机与同步机的转子转速尺度(秒级,与同步机机电尺度对应)暂态同步稳定性及失稳机理。结果表明,风机锁相同步机制会带来额外相位约束,并引发相位慢–快尺度单调失稳新现象;风机坐标变换会导致幅值/相位在装备内部产生耦合,并成为系统幅值–相位联合暂态失稳的新诱因。

锁相环同步型变流器并联系统暂态同步稳定分析

多锁相环同步型变流器系统在大扰动下易出现暂态同步失稳问题。探究变流器间交互机理及其对暂态同步稳定性的影响是保证多变流器系统遭受大扰动后安全稳定运行的关键。为此,该文以锁相环同步型变流器并联系统为研究对象,通过建立并联系统暂态交互模型,发现变流器间交互作用由互阻抗压降项决定,且主要受注入电流相角的影响。基于此,在计及该交互作用动态特性的基础上,利用等面积定则揭示变流器间暂态交互机理,并量化不同注入电流相角对并联系统暂态同步稳定性的影响。研究结果表明,当互阻抗压降项与自阻抗压降项取值的正负号相反时,变流器并联系统的暂态同步稳定性将得到显著提升。最后,通过PSCAD/EMTDC仿真和RT-LAB半实物实验平台验证了理论分析的正确性。

电网故障期间全功率风电机组的暂态同步稳定控制策略

锁相环的非线性动力学行为可能会导致全功率风电机组在电网故障期间出现暂态同步稳定问题,而此类问题与故障后系统的平衡点及其性质密切相关。首先建立基于锁相环的非线性降阶模型,利用等面积法揭示电网故障期间网侧电压源型变流器暂态失稳的机理。分析系统的初始状态及故障状态下平衡点的暂态同步稳定性影响,并在此基础上,系统地提出电网故障期间有功、无功电流注入边界条件,从而形成3种不同目标导向的稳定控制策略。满足该边界条件的有功、无功电流注入,将能保证系统故障期间的暂态同步稳定性。最后在MATLAB/Simulink软件上搭建全功率风电机组的仿真模型,相关仿真案例验证了理论分析和所提基于电流注入边界限制的稳定控制策略的有效性。

虚拟同步机并联电流控制型变换器系统暂态同步稳定性分析

并网并联供电系统中,电流控制型变换器注入电流对虚拟同步机暂态同步稳定性有不可忽视的影响,甚至可能导致系统出现不可逆失稳问题。研究并联供电系统中变换器间的交互机理是保证系统在暂态过程中安全稳定运行的重要前提。文中建立了电流控制型变换器与虚拟同步机暂态交互模型,发现注入电流对虚拟同步机暂态稳定性的影响主要由功率耦合项决定。在此基础上,利用等面积准则分别分析了在纯感性和阻感性网络条件下不同注入电流相角对虚拟同步机暂态稳定性的影响。研究结果表明,当注入电流相角与并联线路导纳角相加接近-90°时,系统的稳定性将得到增强。基于PSCAD/EMTDC软件的仿真结果和基于RT-LAB的实验结果验证了理论分析的正确性。

基于能量函数法的含虚拟惯性控制直驱风电场内部暂态同步稳定性分析

直驱风电机组的同步稳定性与锁相环动态特性紧密相关,锁相环同步失稳易引发风电场大规模脱网。为此提出一种基于能量函数法的直驱风电场内部暂态同步稳定性定量分析方法。首先,在一定假设条件下,保留惯性控制和外环控制对锁相环动态特性的影响,对直驱风机并网控制系统进行降阶。然后,在降阶控制系统的基础上,推导出计及惯性控制和外环控制影响的直驱风机广义摇摆方程。基于广义摇摆方程,利用首次积分法建立机组级风机暂态能量函数,在直驱风电场等效线路模型的基础上进一步推导出多风机暂态能量函数,并采用势能界面法确定系统临界能量值。最后,在直驱风电场四机系统中进行仿真分析,证明了该能量函数的有效性和准确性,并进一步分析了惯性控制参数对同步稳定性的影响。

虚拟同步机电流受限暂态电压支撑机理与改进故障穿越控制研究

针对虚拟同步机在电网低、过电压故障下所面临的无功电压支撑不足、特性差等问题,建立考虑电流限幅特性的虚拟同步机等效电路模型,并基于拓扑同伦原理,给出不同无功电压控制在等效电路相量图上的几何表征方法。利用该方法,揭示几种常见无功电压控制下的虚拟同步机电流受限暂态电压支撑机理,并由此提出一种改进的故障穿越控制策略,有效改善电网低电压、过电压故障下的暂态电压控制能力和支撑特性,进而缓解故障期间的暂态功角稳定问题。基于PSCAD/EMTDC仿真对所提机理和故障穿越控制方法进行详细验证,最后,在3机9节点系统中对其在近、远区电网故障下的支撑特性进行仿真验证。

基于最大估计吸引域的VSC接入弱网下的锁相环同步暂态稳定性分析

针对锁相环同步的弱连接电压源变流器(weakgrid connected voltage source converter,WG-VSC)系统的暂态稳定问题,该文首先应用线性矩阵不等式优化法构建WG-VSC系统的最大估计吸引域(largest estimated domain of attraction,LEDA),并将LEDA与基于LaSalle不变集定理的能量函数法和平方和规划法构建的LEDA进行详细对比,验证了所提方法在刻画LEDA方面具有更低的保守性。然后从保证故障穿越控制过程中的锁相环暂态同步稳定作为切入点,首次提出WG-VSC系统在电网对称故障大扰动下的有功/无功电流设定值可行域概念,并基于线性矩阵不等式方法刻画的LEDA,提出该可行域的求解算法,分析了典型参数对该电流设定值可行域的影响。该可行域为故障过程中的有功和无功电流设定值提供了切实可行的指导依据。最后在PSCAD/EMTDC中搭建了基于详细开关模型的WG-VSC系统仿真算例,通过多种暂态仿真工况验证了该文所构建的LEDA和电流设定值可行域的有效性和可行性。

考虑频率响应的虚拟同步发电机暂态同步策略

为了解决虚拟同步发电机(VSG)在严重故障中与电网失去同步的暂态稳定问题,提出一种考虑频率响应的自适应暂态同步方法。采用功角和功率偏差作为判断系统是否发生失稳的信号,并设置频率偏差与频率变化率的阈值条件,按照极限频率自适应地调整虚拟惯量与阻尼参数,以控制VSG快速恢复到稳定工作点。与现有方法相比,该策略避免了功率微分项向系统引入噪声,同时通过自主调节频率阈值,能够实现不同的动态恢复过程。此外,采用等面积定则分析了受扰VSG的暂态特性,从大信号角度验证该策略提高了系统的稳定性。仿真结果证明了所提自适应暂态同步策略的快速性,并比较了不同阈值对频率快速响应过程的影响,验证了所提策略的正确性和有效性。

功率同步控制的构网型变流器多机交互分析与稳定控制研究综述

构网型变流器由于其具有同步电压源运行特性,在新能源直流送出、弱电网并网、微电网组网等场景中得到广泛关注。功率同步控制是构网型变流器的典型同步方式之一。然而,由于电力电子功率变换非线性和多环控制特性,功率同步控制作用下的构网型变流器多机交互作用及其引发的稳定问题不可忽视。该文对功率同步控制的构网型变流器多机交互分析和稳定控制两方面技术进行梳理和总结。首先,将构网型变流器多机系统稳定问题表征划分为有功功率振荡和暂态同步失稳,分别综述了所对应的模型和分析方法;其次,针对以上两类稳定问题,从机组控制和系统控制两个层面梳理了现有致稳控制技术;最后,总结了现有研究的主要结果和局限性,并对未来研究方向进行展望。

基于PLL同步的弱连接VSC在严重电网故障下的解析注入电流稳定域构建

针对弱连接条件下锁相环同步电压源变流器WG-VSC(weak grid connected voltage source converter)系统的暂态同步稳定问题,首先建立了适用于分析WG-VSC系统在严重电网故障期间的锁相环同步暂态稳定问题的等效转子摇摆方程模型。然后利用改进的等面积定则I-EAC(improved equal area criterion)揭示了弱连接条件下VSC并网系统在严重电网故障下的暂态同步失稳机理;在此基础上,给出了系统在严重电网故障等大扰动下的保证系统暂态稳定的注入电流暂态稳定域的解析边界,为故障期间注入电流策略的制定提供了理论依据。最后,在PSCAD/EMTDC搭建了WG-VSC系统的详细开关模型,仿真结果验证了等效转子摇摆方程模型以及注入电流稳定域的有效性。

电网短路故障下新能源并网变换器的暂态同步机制及其自适应稳定控制策略

新能源并网变换器在电网短路故障期间与电网之间的交互作用显著增强,增加了暂态失稳风险。该文首先建立可再生能源并网换流器(renewable energy grid-connected converter,REGC)在低电压穿越(low-voltageride-through,LVRT)期间的简化等效转子摇摆方程,刻画并分析其同步特征属性。然后,借鉴传统同步发电机的同步稳定理论,推导等效整步转矩系数、等效等面积准则以及阻尼比3个同步特征指数,物理性地揭示不平衡虚拟转矩驱动REGC等效功角运动,甚至引发暂态失步的内在机理,并同时量化衡量REGC的暂态同步稳定性及其在低电压穿越期间的准静态小干扰同步稳定性。最后,提出一种基于自动虚拟变阻器的改进锁相环(phase-lockedloop,PLL)架构,使REGC能够自适应地抵消/补偿线路电阻的压降效应,不仅具备自主平衡能力,而且同时显著增强REGC的暂态同步稳定性及其准静态小干扰同步稳定性。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。

弱电网下并网逆变器正交功率同步控制策略

功率同步控制(power synchronization control,PSC)是电压源型逆变器(voltage source converter,VSC)连接至弱交流电网的有效控制策略。极弱电网的短路比(short circuit ratio,SCR)接近1,系统稳态功角接近90°的稳定运行极限。电网电压暂降极易引起VSC功角越过稳定极限并出现同步失稳。针对这一问题,该文首先通过相图法对PSC的暂态同步稳定性进行深入的分析,给出一阶同步环的暂态功角响应特性。然后,引入虚拟功率的概念,给出具有正/余弦特性的同步环暂态功角特性。进而,提出一种正交功率同步控制策略,该方法能够防止VSC在不同电网电压暂降深度下失去静态稳定工作点,有效的保证并网系统的暂态同步稳定。所提方法无需检测电网故障工况,且无需进行控制模式切换,提高了并网逆变器的控制性能。最后,通过半实物实时仿真验证所提出控制策略的有效性。