基于谐波状态空间理论的12脉动换流站阻抗建模

为分析谐波对电网换相型换流器高压直流输电系统(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)稳定性的影响,亟需建立一个考虑谐波耦合效应的LCC-HVDC精确模型。基于谐波状态空间(harmonic state space,HSS)理论,考虑频率耦合效应和控制系统建立了12脉动LCC的阻抗模型,所建交直流谐波阻抗模型能在更宽的频带与扫频结果吻合。最后通过PSCAD电磁暂态仿真结果与HSS阻抗模型计算结果对比,验证了所提出的LCC-HSS阻抗模型的正确性。LCC-HSS阻抗建模方法提高了对LCC换流站进行数学建模的精确性,且可以适应多种模式下LCC换流站阻抗建模,为LCC系统稳定性分析及参数优化提供了较为精确的模型。

基于谐波状态空间模型的MMC解析仿真方法

随着输送电压等级的提升和模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)子模块数量的增加,基于详细模型的MMC的仿真方法已难以应对子模块数量增长带来的计算效率上挑战。对此,文中提出一种基于谐波状态空间法的MMC解析建模仿真方法,在能够独立地提供各阶次谐波的暂态波形的同时,实现了大步长仿真。首先,建立考虑交直流侧耦合的MMC在时域下的状态方程,之后通过谐波状态空间法将其转换至谐波域,并推导出其开环控制下的阶跃响应解析式;然后,基于该解析式提出仿真全过程的迭代公式及其数值算法;最后,通过仿真算例验证所提方法的有效性。

基于谐波状态空间的高压直流输电系统SISO阻抗建模及稳定性分析

近年来,电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter based on high voltage direct current,LCC-HVDC)系统的稳定性问题得到广泛关注,多位专家学者建议采用谐波状态空间(harmonic state space,HSS)等线性周期时变建模方法对其分析。然而,HSS不可避免地提高了建模的复杂度与维数,在面对大规模交直流系统时具有局限性。同时,LCC-HVDC包含多类型谐波耦合,各部分耦合对稳定性的影响大小尚未得到充分论证。为此,文中以HSS为底层理论建立LCC-HVDC的耦合阻抗矩阵,揭示高压直流输电系统内部的谐波耦合机理。进一步,通过多频电路等效思想,提出三相系统多维阻抗的降维方法,将耦合阻抗矩阵无损降维成单入单出阻抗,以此分析不同次数的谐波耦合对阻抗特性与稳定性的影响。结果表明,考虑到13次谐波截断可以有效提升高压直流输电系统阻抗模型精度,但对稳定性分析结果的影响小于忽略工况变化、简化逆变侧带来的误差。

弱电网下基于谐波状态空间模型的光储—虚拟同步发电机稳定性分析与优化控制研究

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)技术因提供阻尼和惯量而被广泛用于新能源并网逆变器。光储并入弱电网易发生频率耦合等问题,因而VSG并网稳定性分析变得更加复杂。针对光储并入弱电网系统,考虑频率耦合,在dq域中建立基于谐波状态空间(harmonic state space,HSS)理论的多时间尺度虚拟同步发电机模型。采用归一化参数灵敏度分析法,揭示功率环、电压环和低通滤波中虚拟惯量J、虚拟阻尼D_(p)、下垂系数K_(u)、比例系数k_(pu)和截止频率ω_(c)等关键控制参数根轨迹的特性和电网强度对系统稳定性的影响。并通过调整优化控制参数,提高系统稳定性。最后在Matlab/Simulink仿真平台验证谐波状态空间模型精确度和关键参数根轨迹特性。

DC/DC变换器稳态运行谐波状态空间模型

针对传统的状态空间平均法在建模中损失纹波信息的缺陷,基于线性时间周期理论和谐波线性化理论,采用傅里叶分解法,建立DC/DC变换器稳态运行下的谐波状态空间模型,绘制DC/DC变换器的谐波等效电路,从频域角度描述拓扑电流和电压的映射过程;在输入侧加入小扰动,建立DC/DC变换器的谐波状态空间小扰动描述矩阵,对稳态谐波和扰动间谐波进行分析。仿真与实验结果表明,基于谐波状态空间的DC/DC电路建模方法具有极高的精确性,在未来多变流器的配网场景谐波分析中具有一定的工程运用价值。

基于相移原理的LCC-HVDC降维谐波状态空间建模

电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC)的强非线性导致其内部频率耦合复杂多样,传统建模方法难以兼顾准确性与实用性。为此,提出了一种基于相移原理的降维谐波状态空间(harmonic state space,HSS)建模方法,将谐波域相移原理与HSS理论相结合,建立了LCC-HVDC系统的降维HSS模型。通过PSCAD/EMTDC平台搭建LCC-HVDC系统的时域仿真算例,验证了所建模型的正确性。在此基础上分析了LCC-HVDC系统的小扰动稳定性,并采用参与因子对失稳模态的主导因素进行了辨识。基于所建立的模型进一步研究了HSS截断阶数对模型精度及稳定性分析的影响,并给出了LCC-HVDC系统HSS模型截断阶数选取的建议。结果表明,所提模型具有较高的完整性与准确性,且相较于传统HSS模型的维度降低了一半,大大缩短了计算时间,有效降低了理论分析的复杂度。

基于谐波状态空间的MMC背靠背直流输电系统阻抗建模及稳定性分析

研究了模块化多电平换流器(MMC)的背靠背直流输电系统的新型振荡问题。针对稳定性问题的分析需求,首先,建立了系统的时域稳态模型;然后,采用改进的谐波状态空间法(HSS)法建立了考虑谐波耦合特性的系统直流侧频域阻抗模型,详细分析了MMC电气参数、内部环流抑制、内环电流控制、外环不同控制方式、长链路延时等因素对直流侧阻抗特性的影响,通过合理的设计系统参数,保证系统的安全稳定运行;最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台,通过与电磁暂态模型扫频结果进行对比,验证所提出的阻抗模型以及稳定性分析方法的正确性。

基于谐波状态空间模型的MMC系统高频振荡分析

为准确分析模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)输电系统高频振荡现象,基于谐波状态空间(harmonic state space,HSS)理论,综合考虑MMC装备内部动态特性建立了二阶截断下系统的HSS模型,结合该模型计算得系统特征根分布,进而判定系统稳定性及对振荡频率进行预测。基于以上建模分析过程探究了交流网络、系统长链路延时及控制器参数对系统高频稳定性的作用规律。得出系统高频振荡由MMC装备及交流网络相互作用引起,系统高频稳定性随交流线路电阻及对地电容参数增大而提升,且系统长链路延时是引发高频振荡的主要因素,控制器部分,合理参数范围内,基频电流环参数对系统高频稳定性有显著影响,系统发生高频振荡风险随其控制带宽增大而提升,功率外环及锁相环参数对系统高频稳定性影响极小,环流抑制环参数对系统高频稳定性几乎无影响,可从优化交流网络特性、减小系统延时和围绕基频电流环附加控制环节等角度提出高频振荡抑制措施。以上分析结论通过MATLAB/Simulink时域仿真得到验证。

基于谐波状态空间的模块化多电平换流器直流侧改进建模

目前谐波状态空间方法应用于模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)时将控制系统和电气系统的建模统一集成到MMC系统状态空间方程的矩阵A中。该建模方法并没有给出便利的控制系统建模接口,不方便研究控制环节的影响以及不利于模型的扩展。提出了基于谐波状态空间的MMC直流侧闭环阻抗统一建模方法。该建模方法将电气回路与控制回路分别建模表示,控制回路的建模表现为电气状态变量到调制波信号的传递函数矩阵,最后通过调制波信号对电气回路的作用矩阵来实现MMC系统的整体建模。控制回路进行单独建模且并未引入新的变量,使得模型结构更加清晰,并省略了控制系统中多余的状态变量的建模。提出的建模方法还保持了谐波状态空间方法高精度的特点,为MMC的直流侧阻抗分析和参数优化提供了支撑。RT-LAB实时硬件仿真结果验证了所建立模型的正确性。

基于谐波状态空间的变换器建模方法

谐波状态空间(HSS)建模因其强大的谐波分析能力越来越受到关注,但由于其复杂的建模过程及庞大的模型尺寸限制了其在电力电子系统中的应用。以基于正弦脉宽调制的三相电压源型变换器为例说明了一种便于使用的方法来获得电力系统开环大信号HSS模型。基于三相平衡关系提出了在保持与原模型同样的结构和变量、不影响HSS建模精度的条件下减小模型尺寸的HSS降阶模型。通过在Simulink中搭建变换器仿真,并与HSS模型计算结果对比,验证所提模型的有效性。

基于谐波状态空间建模的变换器交直流谐波耦合特性分析

基于谐波状态空间(HSS)理论对变换器进行建模,深入分析了变换器交直流谐波耦合特性。首先,通过数学推导,采用HSS理论对三相AC/DC变换器拓扑进行建模。HSS模型将交直流侧的各次谐波包括在内,反映了各频次谐波变量的作用关系。其次,通过该模型推导变换器的谐波传递函数,建立耦合阻抗图,分析交直流谐波耦合特性。该模型根据微电网中常用的电压源型三相AC/DC变换器建立,给出了变换器交直流谐波耦合阻抗的全局关系,可探究变换器两侧各个频次的谐波特性,并用于变换器并联、级联等结构的谐波分析。最后,在PLECS平台中搭建电压源型三相AC/DC变换器模型,与HSS模型计算结果进行对比,并通过实验验证了所提模型与谐波耦合特性分析的准确性。

基于谐波状态空间的无线电能传输系统建模和稳定性分析

LCC-S(一次侧LCC、二次侧LC串联)型无线电能传输(WPT)系统具有发射侧输出电流恒定以及对耦合机构错位的高容忍性等优点,近年来被广泛应用。然而WPT系统固有的非线性特性可能会导致系统失稳,因此文中以LCC-S型WPT系统为研究对象分析系统出现的不稳定现象。首先,将谐波状态空间(HSS)理论引入WPT系统建模,给出了将时域中的状态空间方程转化为HSS方程的方法,该建模方法考虑了系统中各次谐波的相互耦合作用,具有更高的精确度。其次,基于Pade近似等值延时环节,推导了基于HSS理论的闭环控制模式下系统的小信号模型。通过特征值的分布研究控制器参数以及硬件参数对WPT系统稳定性的影响规律。最后,通过仿真和实验验证了所建数学模型的准确性以及理论分析的正确性。

基于谐波状态空间的MMC小信号阻抗建模

模块化多电平变换器(MMC)的小信号阻抗建模是分析基于MMC的电力电子系统谐振和稳定性的关键。针对MMC阻抗建模中不能全面考虑桥臂电流和电容电压中稳态谐波分量的影响问题,引入谐波状态空间(HSS)建模方法来描述多谐波耦合特性。首先对基于HSS的MMC模型进行了介绍。随后在提出的MMC HSS模型的基础上,建立了 MMC的小信号阻抗模型,该模型能够包含MMC内部的所有谐波,并全面考虑了交流电压闭环控制方案对其影响。提出的模型揭示了 MMC内部动态特性和控制动态特性对MMC阻抗的影响。最后,通过仿真和实验对所提出的阻抗模型进行了验证。

基于谐波状态空间理论的LCL型并网逆变器谐波交互及稳定性分析

电网的逐渐电力电子化引发了谐波谐振、系统不稳定。为获得系统详细的谐波交互情况和不稳定模式,针对三相LCL型并网逆变器,首先基于谐波状态空间(HSS)理论建立其双电流环控制下的数学模型;其次深入研究公共连接点处电网背景谐波电压对逆变器直流侧电压和交流侧电流的影响,以及直流侧电压扰动对交流侧的影响;同时推导出谐波交互的耦合系数矩阵,并分析耦合特性;然后在HSS数学模型的基础上,利用阻抗分析法揭示了弱电网情况下逆变器谐波振荡产生的机理;最后将实验、仿真模型结果与数学模型结果进行了对比,验证了数学模型的有效性以及理论分析结果的正确性。

直流配电网的谐波状态空间建模与分析

这里提出一种直流配电网的谐波状态空间建模方法。针对谐波模型在分析复杂系统时,难以写出状态空间方程的问题,首先建立了单向直流变换器、双向直流变换器和电压源型变换器(VSC)的稳态谐波模型,然后推导出各种电力电子装置的二端口式谐波等值电路,进而得到整个系统的谐波模型。在此基础上,对系统中的电压、电流进行频域分析,得出系统电压、电流谐波耦合导纳图。最后,仿真与实验验证了该方法的正确性和有效性。

基于谐波状态空间的逆变器滤波电路状态评估方法研究

逆变器已经成为现代电网不可或缺的部分,广泛应用于电网与可再生能源和各种负荷之间。逆变器末端的滤波电路属于重要的部件之一,其参数状态决定于逆变器的品质及可靠性。首先通过建立谐波状态空间数学模型,获得输入量与输出量之间的耦合关系,然后注入扰动电压到逆变器输入端,通过检测输出电流的信号,利用输出量与输入量之间的耦合关系来判断逆变器滤波电路的状态情况,并将仿真所得到的输出电流的谐波含量与滤波电路元器件参数的改变关系拟合成线性关系图。最后通过实验样机验证了方法的有效性。

考虑交直流谐波耦合的并网逆变器建模与分析

可再生能源的大规模开发利用使得逆变器在电网中的比例越来越高,逆变器与电网间谐波交互作用也愈加频繁和复杂。针对传统的建模方法无法体现逆变器与电网间谐波交互耦合的问题,文中基于谐波状态空间(HSS)理论对三相并网逆变器进行建模,该模型将交直流侧的多个频次谐波考虑在内,具有较高的精度。基于HSS模型推导出输入到输出的谐波传递函数矩阵,建立逆变器交直流谐波耦合导纳幅值图,探究交直流谐波耦合关系。然后,提出了一种适用于闭环控制系统的三相并网逆变器小信号HSS建模方法,通过计算特征值对系统稳定性进行评估以及对振荡频率进行预测。最后与MATLAB/Simulink仿真结果进行对比,验证了所建立HSS模型的准确性和系统稳定性分析的正确性。

蓄电池守护装置谐波建模及稳定性分析

研究了双向DC/DC拓扑的蓄电池守护装置的谐波稳定性问题。针对常见的双向DC/DC拓扑建立了系统的时域稳态模型,通过傅里叶变换映射至基于谐波状态空间的频域谐波模型,分析了系统中的电力电子非线性元件及调制方式对直流输出电压的影响。通过构建谐波传递函数,采用广义奈奎斯特稳定判据分析了不同控制参数下谐波模型的稳定性。基于MATLAB/Simulink仿真平台,验证了所建模型的正确性及分析方法的有效性。

考虑谐波耦合的多变流器并网系统建模及交直流谐波交互特性分析

新型电力系统中高比例可再生能源和高比例电力电子设备接入的特征带来异于传统电网下的谐波交互问题,多变流器拓扑的谐波耦合交互特性亟待研究。首先,基于谐波状态空间(harmonic state space,HSS)对多变流器并网系统(multiple grid-connected-converter system,MGCCS)建立考虑谐波耦合的谐波传递函数矩阵模型,综合考虑了系统各控制环节对状态变量的影响以及变流器的级联、并联。其次,基于所建HSS模型明确定义谐波耦合系数,并用于揭示多变流器拓扑的谐波耦合机理,分析级联、并联变流器谐波交互特性。然后,应用谐波耦合系数量化分析MGCCS中滤波电感、电流环、锁相环等关键参数对系统谐波交互的影响。最后,将HSS模型和Matlab/Simulink模型、RT-LAB模型的结果进行对比,验证了所建HSS模型的精确性,以及谐波耦合系数理论应用于系统交直流谐波交互分析的有效性。

柔性直流输电系统三端口混合参数建模及其稳定性分析

模块化多电平换流器(MMC)与系统网络之间的交互是诱发振荡的主要原因,然而现有MMC单侧阻抗/导纳建模方法往往没有计及对端换流站的动态过程,因此该文重点通过建立可以考虑交直流耦合的换流器三端口混合参数模型实现整个双端柔直系统的稳定性分析。首先,该文基于谐波状态空间法推导考虑桥臂间谐波动态交互过程的MMC换流器交直流端口功率守恒方程,并据此建立换流器的三端口混合参数模型;其次,基于所建立的三端口混合参数模型和广义奈奎斯特判据,对MMC互联系统的稳定性进行分析,因该方法可避免计算开环传递函数右半平面零极点的数量,与传统单侧阻抗稳定性分析方法相比,可实现系统稳定性的准确判断;再次,推导了特征值相位关于三端口混合参数元素的灵敏度计算公式,揭示了系统振荡的诱因,进一步结合控制参数灵敏度分析,实现了一种用于改善互联系统直流侧稳定性的直流电流前馈附加阻尼控制策略;最后,结合时域仿真算例验证了稳定性分析和改善措施的有效性。