一种体现构网型控制特征的柔性直流机电暂态改进建模方法

总结柔性直流采用构网型控制呈现的新特性并提出相应的机电暂态建模方法。通过分析,提出构网型控制替代跟网型控制给柔性直流带来的主要变化是:电压源支撑,故障穿越切换措施以及电流限幅方法。相对应的,构网控制型柔性直流机电暂态模型是对跟网控制型柔性直流模型的改进,包括将换流器与交流网络的接口由传统的一个交流仿真步长内的平均功率改为平均电压;增加故障穿越措施切换逻辑以及增加基于用户自定义的电流限幅措施。通过交直流间接口方法仿真对比,以及机电、电磁暂态模型故障模拟验证所提模型的有效性。该模型能高精度模拟构网控制型柔性直流在交流电网中的动态行为,具有良好的应用价值。

基于构网型控制策略的直驱型风力发电机简化模型研究

直驱式风力发电作为当前风力发电的普遍形式,随着其容量的增加,将导致受端电网有效惯量不断减少,呈现弱阻尼特性,增加电力系统运行风险。直驱风电场柔直并网过程中采用具有主动支撑能力的构网型控制逐渐成为研究主流,但因其控制技术、工程应用尚处于研究阶段,需要先在仿真软件中进行测试。构网型直驱风电场并网系统需要考虑大量风机的运行特性,多台机组的接入导致仿真运行环境复杂,硬件在环系统的算力不足以达到多台机组的详细仿真要求。为减小计算压力,寻找更适合风电场并网研究的仿真模型,针对构网型控制下的直驱风机机组详细模型进行简化,采用受控电流源替代风机机侧模型的方法,进一步节省计算机算力,从输入功率/直流电压/交流电压波动3个方面进行模型对比,从模型响应曲线误差和仿真耗时2个角度对详细模型及简化模型进行评价。仿真结果表明,简化模型可以反映风电机组网侧的功率输出特性,在节省仿真耗时上具有明显优势。

基于构网型控制的并网逆变器暂态稳定增强控制策略

随着新能源的快速发展,大量电力电子设备接入电网,给电力系统的稳定性带来新的挑战。分析和提高构网型控制的并网变流器的暂态稳定性,对保证电力系统安全具有重要意义。针对构网型控制在大干扰下的暂态不稳定问题,本文提出一种用于多机系统的结合锁相环(phase-locked loop,PLL)和虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)特点的混合同步控制(hybrid synchronization control,HSC)策略。本文采用背靠背拓扑结构,在整流侧采用定VDC控制,在逆变侧建立混合同步控制模型,其次,构建混合同步控制二阶数学模型进行暂态稳定分析,最后,仿真对比VSG和HSC在相同故障条件下的稳定性,结果表明,所提出的混合同步控制策略可以大大提高多机系统中构网型逆变器的暂态稳定性。

柔性直流输电系统的构网型控制关键技术与挑战

随着大规模非同步电源替代传统电网部分同步电机,电源结构和电网骨架发生变化,电力系统将面临弱系统、惯量低和电压支撑弱的问题。采用构网型控制的柔性直流输电系统可模拟同步电机运行特性,在实现功率传输的同时发挥电网支撑作用。文中对构网型控制柔直应用场景和技术框架进行了介绍,从并网性能评价、宽频谐振稳定和暂态稳定性3个角度分析了构网型控制应用于柔直领域的关键技术,归纳分析了在控制参数设计、一次设备过流能力以及能量来源3个方面的挑战以及若干技术方向。

构网型控制在提升高比例新能源并网系统振荡稳定性中的应用

为了研究能够支撑新能源系统稳定运行的构网型与跟网型机组间比例关系,首先以单风场并网系统为例,分析了跟网型和构网型机组的并网动态特性;然后从保持并网风场在低频和次同步频段内振荡稳定性的角度,提出了风场内配置构网型机组容量的计算原则;在此基础上基于三机九节点算例系统,探究了100%新能源构成系统稳定运行的可行性,研究了系统内构网型机组的比例和位置等因素对系统动态特性的影响。研究表明,在风场内配置少量构网型机组即可有效改善弱电网下风场的次同步振荡问题,场内构网型机组的配置容量主要受低频模态稳定性的约束;在100%新能源系统内,构网型控制对远端跟网型机组支撑不足导致的次同步振荡是决定构网型控制需求的关键约束。

用于弱电网互联的柔性直流输电系统双端构网型控制

针对常规跟网型控制下柔性直流输电系统不具备电网频率支撑能力、弱电网运行能力差的问题,提出了一种柔性直流输电系统的双端构网型控制策略.利用直流电容的动力学特性,将柔性直流输电系统模拟为同步电动机-连轴-同步发电机运行,使其具备良好的弱电网运行能力与电网主动支撑能力.在此基础上,设计了柔性直流输电系统的电网故障穿越策略.在PSCAD/EMTDC软件中进行仿真验证,结果表明所提柔性直流输电系统的双端构网型控制策略具备弱电网适应能力、快速潮流调节能力、电网频率主动支撑能力以及电网故障穿越能力.

光储系统电网侧故障下VSC变流器的跟网-构网型控制方法

在高渗透率的新能源并网系统中,由于光伏发电系统以及负荷的随机波动性,传统的跟网型控制在电网电压下降时往往难以提供足够的动态无功支撑,从而对系统的安全性和稳定性产生严重影响。为此,针对光储系统短路故障下电压源型变流器(voltage source converter,VSC)跟网、构网及故障期间的电压支撑控制方法进行研究。首先,建立VSC跟网、构网型控制策略的数学模型,分析基于跟网、构网型控制策略的并网控制方法;其次,研究采用2种不同控制策略对公共连接点(point-of-common coupling,PCC)电压的影响,提出基于跟网构网型控制策略的系统控制方案,分析不同控制策略对PCC电压支撑作用的差异;再次,搭建计及光储接入的系统电磁暂态仿真模型,评估光伏逆变器和储能变流器采用3种不同控制方案对系统动态特性的影响;最后,对3种不同控制方案下,系统发生故障后PCC电压支撑程度进行分析,验证了所提出的基于储能变流器构网型及光伏逆变器跟网型一体化控制方法在故障期间具有更好的电压支撑能力。

永磁直驱风电机组的构网型控制与黑启动

当前,孤岛微电网的常规构网型控制适用于具有稳定功率输入的分布式电源,且孤岛微电网的常规黑启动方案多依赖大容量储能,经济性较差。面向对等运行模式下的孤岛微电网,提出了以永磁直驱风电机组为主电源的新型构网控制策略。在网侧变换器上建立其直流电压与孤岛微电网母线频率的实时联动机制,开发机侧变换器输出功率关于直流电压的下垂控制结构,使多台风电机组之间按照下垂系数之比自动分配负荷容量。根据所接负荷容量自动调节孤岛微电网的母线频率,实现了风电机组参与微电网的一次调频功能。通过变桨控制,实现了风速波动条件下孤岛微电网的稳定运行。提出了一种以直驱风电机组为主电源的孤岛微电网的黑启动控制策略,相较现有黑启动方案,无需附加大容量储能装置,从而降低了系统成本。最后,在PSCAD/EMTDC平台上,验证了理论分析的正确性与所提控制方法的可行性。

弱电网下构网型双馈风电机组直流动态分析及优化控制策略

当双馈风电机组接入弱交流电网时,转子侧和网侧变流器均采用无锁相环的构网型控制策略可以提高发电系统的并网稳定性。然而,对直流端口而言,网侧变流器在构网型控制下的直流电压抗扰能力有所降低,机组出力波动时直流电压的动态特征不容忽视。为此,文中首先建立了考虑交直流侧动态耦合特征的构网型双馈风电机组的小信号模型。基于系统模型研究了不同电网强度和风机转速下直流电压控制的稳定性,根据耦合传递函数矩阵分析了不同条件下定子功率变化对直流电压的耦合影响。利用小信号模型分析了定子功率对直流电压的交、直流耦合路径,并分别设计了解耦优化策略。理论分析表明,所提策略可以降低有功功率加载对直流电压的耦合作用,优化直流侧动态特性。最后,利用硬件在环实验平台验证了理论分析的正确性及所提控制策略的有效性。

基于扰动观测的构网型柔直系统阻尼控制器设计

构网型柔直逆变器具有惯性支撑能力,可对低惯性电网进行频率支撑,但也具有类似同步发电机的振荡特性,系统受扰后构网型逆变站易参与电网振荡,导致振荡范围扩大。首先构建了构网型逆变站和受端电网的简化状态空间模型,基于奇异值分解技术研究了控制器参数、柔直并网位置以及电网惯量分布对交直流系统振荡特性的影响,确定了两区域系统中柔直的最佳并网位置。接着利用构网型逆变站对电网扰动的主动响应能力,设计了基于扩展状态观测技术的振荡阻尼控制器(disturbance observer-based damping controller,DODC),利用构网型逆变站自身的量测对交直流混联系统的关键状态进行实时估计,并利用二次型最优反馈控制实现关键振荡模态阻尼抑制。最后通过DIgSILENT/PowerFactory-MATLAB联合仿真模型对所提控制策略的有效性进行了验证。

基于构网型逆变器的光伏有功备用控制策略

光伏机组采用构网型逆变器并网是戈壁荒漠新能源电网稳定运行的关键。为解决传统光伏减载运行受辐照度影响大、保留功率不精准等问题,提出了基于构网型逆变器的光伏有功备用控制策略。首先,设计了含参考阵列和备用阵列的光伏并网结构。其次以双级式光伏拓扑结构为基础,在前级DC/DC引入有功备用控制,在后级DC/AC引入构网型控制策略,实现光伏机组主动参与电网频率调节;控制策略引入直流电容电压恒定控制,维持直流电压的同时,增强光伏机组的惯量特性。最后建立构网型光伏逆变器小信号模型,通过根轨迹分析了直流电容值对光伏频率响应的影响。仿真结果验证了所提控制策略的正确性和可行性。

构网型柔性直流输电系统附加阻尼控制器设计

构网型柔性直流输电系统对受端弱电网有较好的惯性支撑作用,但是也呈现出类似同步发电机的振荡特性,使系统的动态特性更为复杂。针对该问题,构建构网型柔性直流输电系统与受端电网的状态空间模型和传递函数模型,揭示构网型柔性直流输电系统在电网扰动下的振荡特性,并设计一种构网型柔直系统的附加阻尼控制器,该控制器仅利用构网型柔性直流输电系统自身的状态量即可对交直流混联系统的关键振荡模态进行阻尼。在DIgSILENT/PowerFactory中搭建仿真测试系统,对所提控制策略进行测试,结果表明所提出的附加阻尼控制器能够有效提升系统对直流电压振荡和交流侧机电振荡的抑制效果。

构网型储能变流器VSG控制技术综述

随着可再生能源与电力电子器件的广泛应用,电网的稳定运行面临新的挑战和机遇。虚拟同步发电机(VSG)控制技术在维持电网稳定性和提高能源利用效率方面具有巨大潜力。首先,介绍了新型电力系统的特点,探讨了储能变流器的VSG控制策略,并分析了构网型储能变流器的优势及其应用场景。然后,详细梳理了VSG技术在能量源和储能装置接入可再生能源领域的应用,总结了国内外在该领域的研究重点。特别讨论了考虑储能单元荷电状态的VSG控制、基于混合储能的分频控制与容量分配,以及VSG参数的自适应调节这三种关键的VSG控制方法。对构网变流器VSG技术的研究现状与发展趋势进行了全面梳理,旨在为后续的研究和工程实践提供参考和启示,同时指出储能VSG技术在理论和应用方面的问题并提出展望。

基于TCN的跟网/构网混合型新能源场站并网系统小干扰稳定性快速评估

为支撑跟网/构网混合型新能源场站中机组控制方式快速切换,实现可适应电网强度变化的新能源场站安全稳定运行,提出基于时间卷积神经网络(temporal convolutional network,TCN)的跟网/构网混合型新能源场站并网系统小干扰稳定性快速评估方法。首先,构建跟网/构网混合型新能源场站聚合阻抗模型,通过特征值计算得到并网系统小干扰稳定裕度。然后,以并网系统短路比和新能源场站跟网/构网控制方式信息作为输入特征,以并网系统小干扰稳定裕度和阻尼比作为输出特征,训练TCN得到混合型新能源场站并网系统小干扰稳定性快速评估模型。经过训练的模型可根据短路比和跟网/构网混合型新能源场站中各机组的控制方式快速输出对应的小干扰稳定裕度和阻尼比。最后,以一个含10台风电机组的新能源场站为对象进行算例分析。结果表明:所提TCN方法相比于长短期记忆神经网络方法,在小干扰稳定裕度和阻尼比预测上的平均绝对百分比误差分别降低16.76%、14.75%;所提方法的计算耗时相对于特征值计算方法降低98.54%,从而验证所提小干扰稳定性快速评估方法的准确性与时效性。

构网型变流器:物理本质与特征

全球能源产业变革促进了电力系统电力电子化转型,以新能源为主体的电力电子化电力系统中同步机占比低,系统呈现低惯量、弱阻尼特征,引发了一系列运行问题。构网型变流器本质为电压源,能够主动构建电压频率,为系统提供惯量支撑,有利于改善系统稳定性,是提高新能源主动支撑能力的有效手段,近年来成为研究热点。该文从电力电子化电力系统的运行问题出发,梳理了下垂控制、虚拟同步机控制等典型构网型控制策略的实现原理及内在联系,建立构网型控制策略的统一数学模型;通过类比稳态条件下同步机与构网型变流器的电压频率构建原理,揭示了构网型变流器的物理本质,从电压频率构建、惯量阻尼支撑、同步机制等角度解释了构网型变流器的内涵与特性,可为构网型变流器的稳定与控制提供理论参考。

构网型直驱风机的小信号建模及动态频率支撑策略

针对传统构网型直驱风机在大扰动下的频率和功率振荡较大的问题,提出一种动态频率支撑策略。首先对构网型直驱风机进行了详细的小信号建模。其次,通过主导特征根轨迹分析有功频率控制以及交流电压控制环节中参数对频率变化特性的影响,进而提出一种灵活改变控制参数的动态频率支撑策略。最后,在Matlab/Simulink仿真平台上搭建仿真模型,验证了小信号建模的正确性和所提策略的有效性,表明所提策略能有效减小动态过程中的频率和功率振荡。

全功率直驱风机电网友好型控制策略

基于构网型控制的电网友好型风电机组具有黑启动、电网支撑和弱电网运行等优势,近年来逐渐被广泛研究。为探究不同电网友好型控制在不同场景下的运行性能,以全功率直驱风机为研究对象,总结归纳了4种典型的电网友好型风电机组控制策略。基于不同控制策略的架构和特点,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了相应电网友好型风电机组模型。分别在黑启动、风速变化、功率减载、频率支撑、电压支撑、故障恢复以及故障限流7种工况下探究不同控制策略的运行性能。最后,综合不同工况下的仿真结果,得到了总体性能最优的控制策略。

构网型储能系统与风力发电的协同控制研究

在风电场直流侧配备储能以实现虚拟同步机控制的方案需要对风电场的硬件进行改造升级,成本较高;在风电场交流侧配备储能虽成本较低,但现有的风电场与交流侧储能独立控制的方法对风电场出力波动的平抑作用有限。在不改变风电场现行控制基础上,文章提出一种风电场及其交流侧配备的构网型储能设备的虚拟同步发电机协同控制方案,可使新能源和储能联合系统呈现电压源效应并提供系统阻尼和惯量,考虑了储能容量对控制效果的限制作用,并提出了储能容量与风电场装机量的最佳配比,通过仿真实验对该方案的有效性进行了论证。结果表明:通过协同控制风电场与其交流侧配备的构网型储能出力,可以与风电场直流侧配备储能的虚拟控制实现相同的频率与电压支持效果,并有效平抑风力发电的波动性。

构网型无功补偿抑制新能源送端暂态过电压

电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)是新能源大规模并网、远距离外送的关键。而直流闭锁、换相失败等故障可能导致送端短时无功过剩并引发暂态过电压,危及运行安全。文中突破传统基于电压-电流级联控制的电流源外特性快速无功补偿装置的技术原理,提出一种应用构网型无功补偿装置(grid-forming based reactive power compensation device,GFM-RPC)抑制新能源送端暂态过电压的方法,构建基于微分-代数关系的电压动态分析模型,阐明GFM-RPC抑制暂态过电压机理,并分析GFM-RPC相比现有基于静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)抑制暂态过电压方法的优势。利用仿真验证GFM-RPC抑制新能源送端暂态过电压的效果,并分析主要参数对过电压抑制效果的影响。研究表明,STATCOM这类电流源外特性的无功补偿装置在直流输电系统故障瞬间呈现出恶化电压动态的“反调”特性,而GFM-RPC能够克服这种“反调”特性,并且通过合理的参数配置可以进一步抑制电压幅值的超调量。

基于自适应虚拟阻抗的多并联构网型变流器无功功率分配策略

由于变流器出口线路阻抗的不匹配,采用传统下垂控制策略的多并联构网型变流器难以实现无功功率的精确分配。为了提高无功功率分配精度,文中分析了并联变流器的功率分配机理,提出了一种将变流器的无功功率分配误差和输出电压相结合的自适应虚拟阻抗设计方法。基于该方法的无功功率分配策略在实际线路阻抗未知且分布式单元之间无互联通信的工况下,可实现无功功率高精度分配。该策略还可以改善引入虚拟阻抗存在的无功功率分配精度与输出电压跌落之间的矛盾,抑制变流器间的环流。此外,对变流器进行小信号稳定性分析以合理设计控制参数。硬件在环仿真的结果验证了所提控制策略的有效性。