考虑碳排权供求关系的多区域综合能源系统联合优化运行

随着全国碳排放权交易市场的开放,研究碳交易对于多区域综合能源系统的低碳经济运行具有重要意义。首先,针对目前碳交易成本计算既没有计及碳排权购买量约束,也没有考虑区域综合能源系统之间碳排权供求互动的问题,提出一种考虑碳排权供求关系的碳交易成本联合计算方法;然后,计及区域综合能源系统之间的功率交互,建立了基于纳什谈判的多区域综合能源系统合作博弈模型;接着,将合作博弈问题分解成两个子问题分步求解,并采用控制变量法分析了碳交易成本联合计算与区域综合能源系统之间功率交互对系统的影响;最后,通过三区域综合能源系统仿真算例进行多场景对比分析,结果表明所提模型在显著降低经济成本的同时能够避免碳排放超标。

含ISOP-DAB变换器的中低压直流配电系统阻抗建模及稳定性分析

“双碳”目标下,高比例可再生能源和高比例电力电子设备成为中低压直流配电系统的主要特征,使得系统因其低惯量、弱阻尼的特性所引起的稳定性问题尤为突出。为此,针对含输入串联输出并联型双有源桥(ISOP-DAB)变换器的中低压直流配电系统进行阻抗建模并提出一种适用于中低压直流配电系统的稳定性分析方法。首先,建立了ISOP-DAB变换器的二端口阻抗模型以及其他单元的阻抗模型。在此基础上根据系统内各单元的端口特性将中低压直流配电系统等效为2个单母线直流子系统,并得到整个系统在中、低压侧的等效阻抗比,当且仅当该等效阻抗比满足奈奎斯特判据时,系统可稳定运行。最后,基于PSCAD/EMTDC平台搭建了含ISOP-DAB变换器的中低压直流配电系统的时域仿真模型,通过仿真实验以及理论计算对比分析了恒功率负载及线路参数对系统稳定性的影响。仿真结果验证了ISOP-DAB变换器的小信号模型以及所提稳定性分析方法的准确性和有效性。

基于虚拟电感与限流器的柔性直流电网故障隔离方法

基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converters,MMC)的柔性直流电网能够支持大规模可再生能源的高效接入与可靠送出。为解决柔性直流电网发生双极性短路故障后短路电流上升速度快、峰值大的问题,文章提出了一种基于虚拟电感与限流器的柔性直流电网故障隔离方法。首先,在分析双极性短路故障电流特性基础上,基于虚拟电感限流控制实时改变换流器调制系数,控制MMC投入运行子模块数量,进而降低换流器出口电压,限制短路电流上升速率;然后,当故障电流到达限流器的动作阈值时,通过限流器支路换流与直流断路器(Direct Current Circuit Breaker,DCCB)协调配合抑制故障电流并隔离故障;最后,基于PSCAD/EMTDC电磁仿真平台建立三端柔性直流电网仿真模型,对双极性短路故障进行仿真分析。结果表明,文章所提方法可以快速有效地隔离柔性直流电网双极性短路故障,在直流断路器开断之前能够显著降低故障电流峰值,缩短故障隔离时间,并减小换流器闭锁风险,提高柔性直流电网运行的安全稳定性。

基于扩展卡尔曼滤波器和空间电压矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制

针对传统直接转矩控制中存在磁链和转矩脉动较大,以及速度传感器的使用降低了系统可靠性、增加了系统成本等问题,分析了空间电压矢量调制的实现方式。根据当前预期电压矢量获得基本电压空间矢量的优化组合,对转矩和磁链偏差进行精确补偿,同时保证逆变器开关频率恒定。基于扩展卡尔曼滤波器同时进行定子磁链和转速观测,提高了磁链观测精度,实现了表面式永磁同步电机空间电压矢量调制直接转矩控制,保持了直接转矩控制转矩响应快和系统鲁棒性强的优点,降低了磁链和转矩脉动。仿真和实验结果验证了所提方法的可行性和有效性。

基于EKF PMSM定子磁链和转速观测直接转矩控制

针对传统直接转矩控制中存在电流、磁链和转矩脉动较大、及速度传感器的使用降低了系统可靠性、增加了系统成本等问题,提出基于扩展卡尔曼滤波器同时进行定子磁链和转速观测,实现了表面式永磁同步电动机无传感器直接转矩控制。该方法保持了直接转矩控制固有的转矩响应快和系统鲁棒性强的优点,降低了磁链和转矩脉动,并对电动机参数变化、负载扰动具有较强的鲁棒性,有效地改善了系统的动、静态运行性能,实验验证了该方法的可行性和有效性。

一种适用于黑启动的光储联合发电系统协调控制策略

为研究光储联合发电系统的黑启动能力,采用孤岛运行条件下光储系统启动厂用异步电动机的方法模拟电网黑启动过程,建立了光储联合发电系统模型及其控制系统。选择储能作为主电源,采用恒压恒频控制平抑光伏系统出力波动,为系统提供电压与频率支撑。考虑到因储能剩余充电容量不足将引起黑启动失败的情况,基于常规MPPT(maximum power point tracking)算法,提出一种负荷跟踪与MPPT相结合的方法,使光伏系统出力充足时有效跟踪负荷变化,无多余功率向储能充电;出力不足时实现最大功率跟踪,联合储能共同为负荷供电,从而减小所需储能容量。仿真结果验证了所提协调控制策略的可行性和有效性,同时验证了光储联合发电系统能够为大电网的恢复提供黑启动电源,具备快速黑启动能力。

基于最小二乘支持向量机优化自抗扰控制器的永磁同步电机直接转矩控制方法

针对传统PI调节器的缺陷,提出一种基于最小二乘支持向量机(least squares support vector machine,LSSVM)优化自抗扰控制器(active-disturbance rejection control,ADRC)的永磁同步电机直接转矩控制方法。以给定转速和实际转速作为输入信号,以给定电磁转矩作为输出信号,设计了ADRC速度调节器;在此基础上,在回归模型中选取高斯径向基核函数,深入分析了将LSSVM回归模型有效嵌入ADRC调节器的实现方法,实现对ADRC控制器的优化,以提高ADRC观测精度及系统动态响应速度,很大程度上降低了电机参数变化和负载扰动对系统的影响,进一步改善了系统的抗干扰能力。仿真和实验结果验证了该方法的可行性和有效性。

基于双滑模变结构PMSM直接转矩控制无传感器运行

提出基于双滑模变结构永磁同步电机(PMSM)直接转矩控制(DTC)无传感器运行。以电磁转矩误差、定子磁链误差和转速等信号作为磁链和转矩滑模控制器输入信号,其输出实现电压空间矢量调制,取代了传统DTC中滞环比较器和开关电压矢量选择表,有效地降低磁链和转矩脉动,并保证逆变器开关频率恒定;设计滑模观测器对转速进行准确估计,实现PMSM无传感器运行。仿真和实验结果验证了该方法的可行性和有效性。

基于无源性与自抗扰控制的双馈风力发电系统研究

从能量角度出发,提出一种基于无源性控制(PBC)与自抗扰控制(ADRC)相结合的双馈感应发电机(DFIG)高性能非线性控制方法。建立了DFIG的PBC模型,并证明了其无源性,设计了电流内环PBC控制器,推导出转子电压控制量。基于ADRC原理,以由风机最大风能捕获确定的DFIG给定转速及实际转速作为输入信号,以电磁转矩给定值作为输出信号,设计了ADRC转速外环调节器。该方法在有效实现DFIG最大风能捕获同时,保证了DFIG转速、定子电流及转子电流的准确快速跟踪,实现了有功功率、无功功率独立运行;ADRC调节器能够根据系统实际情况为给定转速合理地安排过渡过程,转速、定子电流与转子电流超调量得到了显著降低,此外能够实时估计出系统所受扰动并及时进行补偿,提高了系统鲁棒性。仿真结果验证了该方法的可行性和有效性。

考虑SOC的电池储能系统一次调频策略研究

电池储能系统(Battery Energy Storage System,BESS)以其控制精度高、响应速度快等优势被广泛应用于电网中。为充分发挥BESS参与电网一次调频的优势,提出一种基于荷电状态(State Of Charge,SOC)与频率偏差的综合控制方法。首先,为了改善电池循环寿命,设计基于荷电状态SOC的下垂系数与虚拟惯性系数。引入基于频率偏差的加权系数将下垂出力与虚拟惯性出力相结合,在频率偏差较小时增加虚拟惯性出力权重以稳定频率,在频率偏差较大时增加下垂出力权重以快速调节频率偏差,并在频率偏差超过一定限度后进行故障穿越时的频率支撑,而当电网状态变好且SOC较低或较高时进行SOC恢复。其次,提出BESS参与电网一次调频的评价指标以定量评估所提策略的调频效果及SOC维持效果。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建BESS仿真模型,并在阶跃负荷扰动、随机负荷扰动、瞬时性短路故障及光伏间歇性出力扰动工况下仿真验证所提策略的调频效果及SOC维持效果。仿真结果表明,所提策略能实现较好的调频效果并将SOC维持在合理区间内。研究成果为BESS成套设备生产厂家合理设计控制保护参数提供参考,对提升BESS涉网性能具有实际意义。

一种永磁同步电机直接转矩控制无传感器运行优化方法

为了改进自抗扰控制器(active-disturbance rejection control,ADRC)性能,同时解决永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)传统直接转矩控制(direct torque control,DTC)中存在的磁链和转矩脉动大以及机械速度传感器的使用降低系统可靠性等问题,提出一种PMSM DTC无传感器运行优化方法。设计了ADRC速度调节器,阐述了将最小二乘支持向量机(LSSVM)最优回归模型有效嵌入ADRC调节器的实现方法,对ADRC进行优化,以提高ADRC观测精度及系统动态响应速度,改善系统的抗干扰能力;同时,在两相静止坐标系下提出基于扩张状态观测器同时对定子磁链和转速进行估计的方法,以降低磁链和转矩脉动,同时实现无传感器运行。仿真和实验结果验证了该方法的可行性和有效性。

考虑直流电压稳定的VSC-MTDC附加频率自适应下垂控制策略

传统附加频率下垂控制方法直接将交流侧频率偏差和直流侧有功功率参考值进行线性耦合,由于有功功率参考值与频率偏差的系数,即频率下垂系数是固定值,在频率调节过程中不仅容易引起较大的电压变化而且导致直流电压越限从而威胁直流设备的安全以及系统的稳定性。首先利用虚拟惯性技术,将电网频率和多端柔性直流(voltagesource converter multi-terminal DC,VSC-MTDC)输电系统中直流侧有功功率进行耦合,提出了考虑直流电压稳定的VSCMTDC附加频率自适应下垂控制策略。该方法可使频率下垂系数根据换流站容量和电压下垂系数的变化自动调节,从而适度调节有功功率参考值增量大小,减少直流电压在调节过程中的超调量,提高电压质量和互联系统的稳定性。然后分析了所提控制策略的稳定性,并通过求解输电系统根轨迹的方法获得了控制器参数的稳定范围。仿真结果验证了所提方法的可行性和有效性。

光储直流配电网灵活虚拟惯性控制策略

针对光伏渗透率不断提高而带来的直流配电网惯性低的问题,考虑直流配电网储能设备的潜在惯性支持能力,提出光储直流配电网灵活虚拟惯性控制策略。分析了在直流配电网电压动态变化过程中蓄电池储能与电压变化量之间的关系,并通过建立蓄电池荷电状态与直流电压的函数表达式,进一步提出了在直流电压变化时引入双曲正切函数来灵活快速调节蓄电池换流器的控制策略,从而增加系统惯性,提高电能质量。另外,还考虑了蓄电池的充放电极限问题,通过引入反正切函数来限制其过度充放电。最后,对采用灵活虚拟惯性控制策略的直流配电网进行小信号稳定性分析,得到了所提控制策略中关键参数的取值范围。基于MATLAB/Simulink搭建了四端直流配电网仿真系统,验证了在系统功率不平衡后,所提控制策略能利用虚拟惯性控制有效地抑制直流电压波动,从而提高电压质量和暂态稳定性。

柔性直流输电系统自适应虚拟惯性调频控制策略

针对传统控制策略下柔性直流输电系统接入交流电网后无法为系统提供惯性以及参与调频的问题,提出了一种考虑频率稳定的自适应虚拟惯性调频控制策略。在直流侧保持下垂特性,自动分配直流功率的同时,使柔性直流输电系统能够参与二次调频,实现交流侧频率的无差调节。另外,通过虚拟惯性控制,进一步提高系统频率稳定性和惯性,改善二次调频控制所引起的暂态波动。针对惯性系数选取受直流电压偏差限制的问题,采用自适应惯性系数,在电压偏差较小时,可以增大惯性系数,得到更好的频率稳定效果,反之则减小惯性系数,防止直流电压越限。在PSCAD环境下搭建了五端柔性直流电网的仿真模型,仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。

不对称电网电压下MMC-HVDC系统功率波动抑制策略研究

电网电压不对称时,在基于模块化多电平换流器的高压直流输电(Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct Current,MMC-HVDC)系统中,针对MMC交流侧输出产生的有功功率和无功功率二倍频波动问题,提出了将电网电压、电流均变换至正序dq坐标系下进行电流参考值计算的控制策略,可同时抑制MMC交流侧输出的有功功率和无功功率的二倍频波动。此外,电网电压不对称时,在正序dq坐标系下,电压d、q轴分量中除直流分量外,还将含有由负序分量引起的二倍频分量。若在锁相环的设计中不考虑此二倍频分量,则电网电压不对称时系统整体控制性能将会受到影响。据此设计了基于二倍频陷波器的频率自适应锁相环,在电网电压不对称情况下可准确锁定正序电压相位,并计算电网正序电压幅值及负序电压在正序d、q轴上的分量值,用于所提控制方法中的dq变换及功率波动抑制环节中电流参考值的计算。最后通过仿真验证了所提方法的可行性和有效性。

适用于混合多端直流输电系统的非线性下垂控制策略

针对混合多端直流输电系统功率协调控制问题,提出了一种非线性下垂控制策略。该策略考虑了各换流站的电流裕度,由多个换流站共同维持直流电压的稳定,使电流裕度大的换流站承担较大的功率变化量,电流裕度小的换流站承担较小的功率变化量,避免出现部分换流站满载而失去对功率变化响应能力的情况。该控制策略可以协调分配各换流站有功功率,有效降低各换流站直流电压的静态偏差,且提高了系统的响应速度。用根轨迹法对所提控制策略进行了稳定性分析。仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。

适用于风电并网的VSC-HVDC系统模型预测控制

针对风电并网的电压源换流器高压直流输电(VSC-HVDC)系统的传统双闭环控制策略存在控制结构复杂、PI参数较多且难以整定、响应速度慢等问题,提出适用于风电并网的VSC-HVDC系统模型预测控制策略。为了提高风电场母线交流电压的控制精度,风电场侧换流器(WFVSC)采用基于优化模型预测的定交流电压控制,提出滞后补偿两步预测法,并将模型预测控制与脉宽调制(PWM)技术相结合,求取2个控制周期内调制波的最优解,然后经过调制单元生成开关信号作用于WFVSC。网侧换流器(GSVSC)采用有限控制集模型预测功率控制,基于GSVSC的离散数学模型,利用代价函数遍历寻优找出使代价函数最小的开关状态组合作用于GSVSC。基于所提模型预测控制的VSC-HVDC系统具有良好的稳态性能、动态性能和故障恢复性能,能为风电场提供稳定的交流电压。仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。

计及换流站间电压误差的VSC-MTDC系统自适应下垂控制

针对多端柔性直流(VSC-MTDC)输电系统中各换流站之间功率协调控制的问题,提出一种计及换流站间电压误差的自适应下垂控制策略。该策略考虑多个换流站间直流电压的误差对功率调节的影响,当直流电压达到允许的波动极限时,所有采用自适应下垂控制的换流站几乎同时达到或接近满载,可以最大限度地利用换流站的有功功率容量,提高了按换流站功率裕度分配不平衡功率的准确性。此外,下垂系数根据换流站的可用功率变化量和允许电压变化量灵活调节,可使直流侧电压波动显著降低。仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。

MMC-HVDC系统冗余容错模型预测控制

当模块化多电平换流器柔性直流(modular multilevel converter-high voltage direct current,MMC-HVDC)输电系统子模块发生故障时,上、下桥臂处于不对称运行状态,此时会导致上、下桥臂子模块输出电压之和不均衡,造成换流器内部环流不仅含有二倍频负序分量,还增加了基频分量,导致直流侧电流波动。基于MMC桥臂子模块不对称运行时平均开关函数,阐述了上下桥臂子模块数目不对称运行时子模块数量不对称所在相上、下桥臂子模块输出电压之和,以及桥臂电流基频分量与桥臂正常运行子模块数量、环流直流分量和二倍频分量之间的关系。提出一种MMC-HVDC系统冗余容错模型预测控制策略,在实现交流电流跟踪、子模块电容电压均衡的同时,可以实现故障时对环流基频和二倍频成分的抑制,使正常运行子模块电压维持在给定值附近,维持直流侧电流稳定。仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。

永磁同步电机无传感器直接转矩控制

传统直接转矩控制转矩、磁链和电流脉动较大,速度传感器的安装容易使系统可靠性降低、成本增加。为解决以上问题,采用扩展卡尔曼滤波器对定子磁链进行观测,并对转速进行估计,实现表面式永磁同步电机无速度传感器直接转矩控制,克服传统直接转矩控制中积分器的缺陷,保持直接转矩控制固有的转矩响应快和系统鲁棒性强的优点,能够对电机参数变化、负载扰动具有较强的鲁棒性,有效地改善了系统的动、静态运行性能,仿真和实验验证了该方法的可行性和有效性。