弱电网下跟/构网型变流器并联系统的阻抗频率耦合及稳定性分析

在含跟网型光伏及构网型储能的异构系统中,利用阻抗分析法可以研究构网型变流器对异构系统稳定性的影响。然而,现有研究未充分考虑变流器间、变流器与电网阻抗间的频率耦合效应,难以准确评估弱电网下异构系统的稳定性。因此,以两机异构并网系统为例,文中深入分析了系统内部耦合对跟/构网型变流器输出阻抗的影响。分析表明,电网阻抗以及构网型/跟网型变流器输出阻抗对跟网型/构网型变流器输出阻抗有附加影响;相较于变流器独立并网运行,异构系统中跟网型变流器中低频段输出阻抗易受到影响,而构网型变流器输出阻抗基本不受影响。在此基础上,将构网型变流器与电网合并视为等效电网而建立了异构并网系统阻抗模型,讨论了小干扰稳定性。硬件在环实验结果表明,相较于传统阻抗模型,基于所提阻抗模型的稳定性分析实现了弱电网下系统小干扰稳定性的准确判断。

考虑频率耦合特性的D-PMSG复数域阻抗建模及其特征分析

阻抗分析法因其简单有效被广泛用于含电力电子变换器的互联系统稳定性研究。然而,采用传统方法对频域序阻抗建模时,需通过非线性变换(Park变换及其反变换)进行坐标系转换,这会导致不同周期分量的卷积运算及相应的频移,其过程较为烦琐。针对上述问题,基于复向量时域微分算子,提出了永磁直驱同步发电机(D-PMSG)等效阻抗建模方法。该方法在时域周期系统稳定运行轨迹的邻域内直接进行小信号线性化,并采用指数旋转因子灵活反映系统受扰后的时变特性,结合时域微分算子等效表征互联系统控制环节的动态特性,避免了频域阻抗建模时坐标系的反复变换,大幅降低了解析建模的复杂度。此外,所提方法能够更加清晰地阐释互联系统受到扰动时D-PMSG并网逆变器产生频率耦合现象的物理意义;同时,能够说明基频电压初始相位对耦合分量相频特性的影响。最后,利用仿真验证了所提算法的有效性。

VSC并网逆变器振荡的频率耦合导纳建模及影响因素分析

随着双高电力系统的发展,并网逆变器与交流电网之间的振荡问题频发。近年来,此类振荡问题逐渐表现出振荡频率互相耦合的特性,正负序解耦的导纳模型不再适用于这种情况下的振荡分析。频率耦合的导纳模型以及不同因素是如何影响频率耦合的,尚需进一步研究。首先建立了考虑频率耦合的并网逆变器导纳模型,随后基于灵敏度方法分析了不同因素对于频率耦合的影响,并给出了1个可以定量描述系统频率耦合程度的参数。对影响较大的锁相环带宽进行了优化设计,最后通过仿真验证了影响因素的灵敏度分析以及优化设计的正确性。

计及频率耦合的单相并网逆变器阻抗建模及稳定性分析

随着可再生能源渗透率的提高,电力电子变流器与大电网间的相互作用引发的振荡事故频发。为了研究新能源并网引发的振荡特征,本文通过实信号与复向量的联系解释了计及锁向环(phase⁃locked loop,PLL)影响时单相并网逆变器产生单频率扰动电压输入,双频率扰动电流输出的原因,并进一步解释了弱电网下产生频率耦合现象的机理,建立了自导纳和互导纳模型,进而推导出逆变器等效输出导纳,最后通过MATLAB/Simulink搭建模型进行仿真,验证了自导纳和互导纳模型的正确性,且最终给出的逆变器等效输出阻抗可根据奈奎斯特稳定判据准确判断系统稳定程度。

实际次/超同步振荡事件的多频率耦合效应分析

随着新能源和电力电子设备的占比增加,电力系统的宽频振荡问题日益严峻,且往往伴随着多个频率的振荡分量耦合出现的现象。为了明确新能源电力系统振荡过程中多频率耦合效应的机理和特性,基于典型电力电子变流器并网系统,推导并梳理了变流器在电压扰动作用下输出多阶耦合频率分量的过程,阐明了锁相环控制及坐标变换、dq轴控制不一致等造成变流器并网系统多频率耦合效应的主要原因。最后,结合实际电网的2次振荡录波数据分析,验证了多频率耦合机理分析的准确性。

高次频率耦合特征的3(1/2)维谱分析方法

为了提取高次频率耦合特征,定义了32维谱的概念,从理论上研究了32维谱的特有性质。理论研究表明:利用32维谱能完全抑制对称分布的噪声;利用复数信号的32维谱能分别提取参与4次频率耦合的分量和因4次频率耦合产生的新频率分量,也能分别提取参与二三对频率耦合的分量和因二三对频率耦合产生的新频率分量;利用实数信号的32维谱,可同时提取参与4次频率耦合、二三对频率耦合的分量和因频率耦合产生的新频率分量;无论是利用复数信号还是实数信号的32维谱,均无法提取频率独立的分量。基于实测数据的仿真实验表明:利用32维谱可有效提取水下目标辐射噪声的4次频率耦合与二三对频率耦合特征。

考虑频率耦合的MMC序阻抗建模及附加陷波器阻抗重塑方法

模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)与电网间的频率耦合会影响变流器的阻抗特性,常规研究未考虑频率耦合造成的阻抗模型不准确,对分析系统阻抗特性造成了困扰。针对此问题,建立考虑频率耦合下MMC的全阶阻抗模型,进而分析系统稳定性。在此基础上提出一种基于陷波滤波器的MMC阻抗优化方案,解决弱电网互联系统的稳定问题。在分析MMC传统阻抗建模不能有效发现实际低频段振荡的原因基础上,研究频率耦合在MMC建模中的产生机理和影响程度。根据频率耦合的产生机理,建立小信号模型及变量关系,推导出频率耦合下的MMC全阶阻抗模型。依据全阶模型,提出一种基于陷波器的系统阻抗优化方案,有效解决了MMC弱网互联系统的低频振荡及稳定分析问题。仿真结果验证了耦合下MMC全阶阻抗模型的准确性及低频振荡阻抗优化的可行性。

弱电网下单相并网逆变器频率耦合消除与稳定性增强方法

在新能源渗透率较高的弱电网下,单相并网逆变器中锁相环节的不对称控制易引发频率耦合现象,影响并网系统稳定性。针对此问题,提出一种基于增强型二阶广义积分器的对称控制结构。构建考虑频率耦合效应的单相并网逆变器多频导纳模型,通过在电流环中引入d轴电压扰动消除耦合导纳并简化导纳模型。在正交信号发生环节采用增强型二阶广义积分器,进一步提高并网逆变器在弱电网下的鲁棒性。通过RT-LAB硬件在环实验验证理论分析的正确性。

并网变流器的频率耦合阻抗模型及其稳定性分析

可再生能源并网系统中,如光伏、风电以及无功补偿等并网均采用电压源型变流器。变流器与交流电网之间的相互作用会引发新的振荡问题,阻抗模型分析成为研究此类问题的重要方法。多数阻抗模型往往忽略了变流器外环控制和频率耦合的影响,适用于变流器高频动态特性研究,但在分析变流器中低频动态(如次同步振荡)方面不够精确。为弥补这一缺陷,文中针对典型电压源型并网变流器提出了一种频率耦合阻抗模型,同时考虑了互补频率耦合效应和外环控制,采用详细电磁模型时域仿真与辨识验证了阻抗模型推导的正确性。进一步构建并网系统的整体阻抗模型,分析变流器并网系统的稳定性,时域仿真结果证实了所提模型在中低频率振荡分析中的有效性。

三相并网逆变器频率耦合机理分析及稳定性判定

并网逆变器中控制器dq轴结构或参数的不对称会导致系统在静止坐标系下存在两个扰动频率分量相互耦合,这一耦合因素会影响系统的稳定性。文中分析了系统中这两个扰动频率的耦合机理,分别得到了两个耦合频率下的逆变器等效导纳。利用这两个导纳,采用奈奎斯特判据判定了并网逆变器系统的稳定性,相比现有采用广义奈奎斯特判据的方法,稳定性判定过程简单,便于给出系统稳定裕量,指导逆变器控制器设计。实验验证了并网逆变器系统稳定性判定结果的正确性。

并网逆变器频率耦合特性建模及系统稳定性分析

基于阻抗的稳定性分析方法被广泛用于分析并网逆变器与电网互联系统的稳定性。阻抗建模时,通常认为三相互联系统可以分解为相互解耦的正序子系统和负序子系统,并且每个子系统在频域上都具有单入单出的特性。但是,当系统存在频率耦合时,正负序阻抗不再解耦,原有的稳定性分析方法也不再适用。针对并网逆变器,推导并验证了考虑多种频率耦合原因情况下的并网逆变器的频率耦合特性解析模型。基于推导的模型,进而分析了频率耦合特性的影响因素,以及频率耦合对并网逆变器系统稳定性的影响。

考虑频率耦合效应的虚拟同步发电机序阻抗建模

中低压配电网的线路阻抗呈现时变特征,使得基于虚拟同步发电机VSG(virtual synchronous generator)算法的分布式发电单元和电网阻抗产生交互作用,出现系统失稳。阻抗模型是一种基于外特性的建模方法,是研究分布式发电系统稳定性的有效手段之一。考虑到VSG系统存在着频率耦合特性,首先阐述了VSG系统的频率耦合原因,采用谐波线性化的方法建立包含功率外环和频率耦合效应的完整VSG序阻抗模型。再从阻抗测量和并网交互两个角度分析了频率耦合效应对VSG输出阻抗特性的影响。仿真结果验证了模型的准确性和适应性,表明所建立的阻抗模型能准确反映VSG的二倍频频率耦合特征。

基于谐波传递矩阵的MMC换流站频率耦合特性建模与分析

模块化多电平换流器(MMC)应用于柔性直流输电系统可有效降低输出谐波和开关损耗,同时也带来突出的系统稳定性问题。阻抗稳定性分析方法可用来分析MMC系统运行时产生的稳定问题。现有文献建立的MMC阻抗模型均为正序阻抗和负序阻抗相互解耦的序阻抗模型,并通过单入单出的阻抗稳定判据分析系统稳定性。然而,MMC在低频段呈现较为显著的频率耦合特性,此时正负序阻抗不再解耦,仍使用单入单出的稳定判据无法精确判定系统稳定性。文中通过分析扰动分量与稳态谐波的交互作用,研究了MMC频率耦合产生机理,进一步采用谐波传递矩阵建立了定交流电压控制下MMC频率耦合模型,并分析了频率耦合特性的主要影响因素和对稳定性的影响。最后,基于MATLAB/Simulink搭建的仿真系统结果验证了所建立频率耦合模型精度和系统稳定性分析结果的正确性。

三相并网变流器弱电网下频率耦合抑制控制方法

该文针对弱电网情况下三相并网变流器的频率耦合现象的产生机理和抑制方法开展了研究。首先在静止坐标系下针对三相并网变流器进行复矢量形式的导纳建模,模型中考虑了控制器中电流环、锁相环和直流电压环的影响。然后在模型基础上重点研究了锁相环和直流电压环对频率耦合特性的影响,基于系统的等效传递函数框图,分析了在弱电网条件下频率耦合分量对系统稳定性的影响。为了抑制频率耦合特性,针对系统中由于锁相环影响q轴电压和直流电压环影响d轴电流引起的dq轴不对称的问题,提出了补偿锁相环和电压环不对称影响的频率耦合抑制控制方法,理论分析表明该改进控制方法可以有效抑制频率耦合现象,提高系统稳定性。最终通过实验验证了所提频率耦合抑制方法的有效性。

计及频率耦合效应的并网逆变器稳定控制研究

随着可再生能源的不断发展,高比例新能源发电系统和电网交互易发生次/超同步频率振荡。在弱电网下这2种频率振荡分量之间具有强耦合关系,称为频率耦合现象。此现象是由三相并网逆变器控制器中控制结构或参数不对称引发,由此诱发的频率耦合现象会影响并网系统稳定运行,放大频率振荡的影响,恶化系统的电能质量。针对上述问题,建立了基于功率外环控制的计及频率耦合效应的三相并网逆变器阻抗模型,首次给出了系统临界稳定时锁相环带宽和电流环不对称度的理论分析过程,进而推导出锁相环和电流环的参数优化方法。此外,提出了改进功率外环和锁相环结构的方法消除控制器中的不对称因素,从而抑制频率耦合的影响。通过总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD)数据表明,2种方法极大削弱了频率耦合强度,提升了并网系统稳定性。最后,仿真及实验结果,验证了理论分析的正确性和提出策略的有效性。

采用多正弦信号注入的宽频带并网逆变器频率耦合特性测量方法

阻抗稳定性分析法是实现新能源发电设备与电网构成的互联系统稳定性分析的有效方法,准确获得新能源发电设备阻抗特性是进行互联系统稳定性分析的关键。为了实现新能源发电设备频率耦合阻抗特性的测量,文中提出一种基于模型预测控制和多正弦波信号注入的并网逆变器频率耦合阻抗特性测量方法。通过采用直接预测电压控制策略,减小阻抗测量装置测量端口阻抗幅值,以简化被测并网逆变器频率耦合特性的提取过程。随后进一步研究多正弦波幅值、频率和相位的设计方法,通过单次注入扰动信号实现频率耦合阻抗特性的快速提取。最后通过Typhoon控制硬件在环仿真平台,验证该文所提方法的准确性与有效性。

考虑频率耦合的VSG虚拟阻抗优化设计

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)的频率耦合现象会降低系统的稳定裕度,引发VSG的振荡失稳。为此,建立了VSG序阻抗模型,分析了频率耦合特性对VSG稳定性的影响机制。考虑到加入频率耦合特性后VSG序阻抗与电网阻抗会相互耦合,提出了一种虚拟阻抗的简化设计方案;重新分割了网–源子系统,将虚拟阻抗折算至电网侧,同时以并网稳定性和功率输出能力为约束给出了虚拟阻抗取值范围。StarSim半实物平台的实验结果验证了简化虚拟阻抗方案和参数设计方法的可行性和正确性,说明所提方法在不同电网阻抗下均能增强VSG的稳定裕度,并确保系统有足够的功率输出能力。

舱段模型频率耦合噪声源的分离量化

由于潜艇振动噪声源存在频率相互耦合现象,常规方法难以有效地解决耦合噪声源分离与贡献量化问题。采用一种新型多元统计分析方法-偏最小二乘回归分析方法来实现频率耦合噪声源的分离量化,该方法可同时提取反映输入/输出中最大信息且相关性最大的主成分,并能够在变量间存在多重相关性的条件下进行回归建模。仿真与舱段模型试验表明:当多激励源之间存在频率耦合时,能对噪声源进行分离和贡献量化,从而实现了噪声源对耐压壳体观测点贡献以及噪声源对辐射声场观测点贡献的排序,验证了偏最小二乘回归用于频率耦合源分离量化的可行性,为主要噪声源的控制提供了依据。

计及频率耦合特性的LCC-HVDC送端系统阻抗建模与稳定性分析

随着双馈风电和高压直流输电(high-voltage direct-current,HVDC)在电力系统中的比例越来越大,电网换相换流器型HVDC(line-commutated converter based HVDC,LCC-HVDC)与双馈风电场、弱电网互联时会存在交互稳定问题,且振荡频率会呈现频率耦合特征。针对LCC-HVDC整流站存在的频率耦合现象,采用3-D傅里叶变换建立阻抗模型,分析LCC产生频率耦合现象的机理,进行各个影响因素对LCC频率耦合程度的敏感性分析。最后,研究频率耦合特性对LCC整流站、双馈风场、弱电网互联系统稳定性分析的影响,并通过时域仿真验证所得结论。

基于频率耦合阻抗的直驱风电机组次同步振荡关键影响因素分析及抑制措施

直驱风电机组与弱交流电网的动态交互导致次同步振荡现象时有发生,计及频率耦合效应的阻抗分析法是研究该现象的有效方法之一。首先,建立了计及锁相环、直流电容电压及LC滤波器动态的频率耦合序阻抗模型,并结合阻抗扫频验证了模型的正确性;其次,基于修正的序阻抗伯德图判据对并网系统进行稳定判别得出风险频段的负电阻是导致系统失稳的主要原因;进一步,鉴于电压环、锁相环主要影响次/超频带的阻抗特性,采用灵敏度分析法从带宽和阻尼比角度量化了电压环、锁相环参数对风机阻抗的影响,得出初始参数下的电压环阻尼比是造成阻抗在风险频段呈现负电阻的关键原因;最后,设计了串联超前相位校正的改进控制方案,方案可通过阻抗重塑削弱风险频段的负电阻特性,进而使得并网系统的稳定性提升。结合时域仿真验证了灵敏度分析的正确性和改进控制方案对振荡抑制的有效性。