Electromechanical Transient Modeling Analysis of Large-Scale New Energy Grid Connection

The synchronous virtual machine uses inverter power to imitate the performance of the conventional synchronous machine.It also has the same inertia,damping,frequency,voltage regulation,and other external performance as the generator.It is the key technology to realize new energy grid connections’stable and reliable operation.This project studies a dynamic simulation model of an extensive new energy power system based on the virtual synchronous motor.A new energy storage method is proposed.The mathematical energy storage model is established by combining the fixed rotor model of a synchronous virtual machine with the charge-discharge power,state of charge,operation efficiency,dead zone,and inverter constraint.The rapid conversion of energy storage devices absorbs the excess instantaneous kinetic energy caused by interference.The branch transient of the critical cut set in the system can be confined to a limited area.Thus,the virtual synchronizer’s kinetic and potential energy can be efficiently converted into an instantaneous state.The simulation of power system analysis software package(PSASP)verifies the correctness of the theory and algorithm in this paper.This paper provides a theoretical basis for improving the transient stability of new energy-connected power grids.

ELECTROMECHANICAL COUPLING MODEL AND ANALYSIS OF TRANSIENT BEHAVIOR FOR INERTIAL RECIPROCATION MACHINES

The dynamical equations for a inertial reciprocating machine excited by two rotating eccentric weights were built by the matrix methodology for establishing dynamical equations of discrete systems. A mathematical model of electromechanical coupling system for the machine was formed by combining the dynamical equations with the state equations of the two motors. The computer simulation to the model was performed for several values of the damping coefficient or the motor power, respectively. The substance of transient behavior of the machine is unveiled by analyzing the results of the computer simulation, and new methods are presented for diminishing the transient amplitude of the vibrating machine and improving the transient behavior. The reliable mathematical model is provided for intelligent control of the transient behavior and engineering design of the equipment.

The Analysis of the Differences between Electromechanical Transients Simulation and Electromagnetic Transients Simulation

The paper firstly interprets the differences between electromechanical transients program BPA and electromagnetic transients program EMTDC in the field of principle, model and algorithm. Then the authors carry out the simulation based on single-machine infinite-bus system and draw some conclusions. The time consumption of the simulation using EMTDC is much longer than the simulation using BPA under the same length of time. The results of BPA are close to those of EMTDC under steady conditions. The fundamental frequency component of the EMTDC results seems closer to the BPA results than its original value, but they still away from completely consistent. In this simulation of single-machine infinite-bus system, the transient stability results of BPA and EMTDC are close, but the results of BPA are apt to be more conservative. All the conclusions above have a certain reference value to both hybrid simulation and comprehensive analysis method in the study of the AC/DC digital simulation of large power grid.

Electromechanical coupling model and analysis of transient behavior for inertial vibrating machines

A mathematical model of electromechanical coupling system for a planar inertial vibrating machine is built by setting up dynamical equations of discrete systems with a matrix methodology proposed. The substance of the transient behavior of the machine is unveiled by analyzing the results of the computer simulation to the model, and new methods are presented for diminishing the transient amplitude of the vibrating machine and improving the transient behavior. The reliable mathematical model is provided for intelligent control of the transient behavior of the equipment.

Frequency Dependent Network Equivalent for Electromagnetic and Electromechanical Hybrid Simulation

频率相关网络等值（frequency dependent network equivalent，FDNE）不仅可以表示网络的基频响应特性，而且还可以表示网络的高频响应特性，从而能够应对电磁暂态、机电暂态混合仿真中的接口波形畸变问题。基于简化元件模型介绍FDNE的频率特性采样值的求取方法；应用矢量拟合法将上述频率特性采样值整体拟合成一个FDNE，并采用摄动法保证了此FDNE的无源性。最后，用多个算例说明基于FDNE的电磁—机电暂态混合仿真方法的精度及其优势。

基于数据-模型混合驱动的电力系统机电暂态快速仿真方法

数据驱动建模方法改变了发电机传统的建模范式,导致传统的机电暂态时域仿真方法无法直接应用于新范式下的电力系统。为此,该文提出一种基于数据-模型混合驱动的机电暂态时域仿真(data and physics driven time domain simulation,DPD-TDS)算法。算法中发电机状态变量与节点注入电流通过数据驱动模型推理计算,并通过网络方程完成节点电压计算,两者交替求解完成仿真。算法提出一种混合驱动范式下的网络代数方程组预处理方法,用以改善仿真的收敛性;算法设计一种中央处理器单元-神经网络处理器单元(central processing unit-neural network processing unit,CPU-NPU)异构计算框架以加速仿真,CPU进行机理模型的微分代数方程求解;NPU作协处理器完成数据驱动模型的前向推理。最后在IEEE-39和Polish-2383系统中将部分或全部发电机替换为数据驱动模型进行验证,仿真结果表明,所提出的仿真算法收敛性好,计算速度快,结果准确。

电力系统风力发电建模与仿真研究综述

对于大规模风电并网的电力系统安全稳定分析,构建合适准确的风电场模型至关重要。首先,梳理了现有风电机组的模型结构以及风电场的动态等值,阐述了风力发电系统的参数辨识方法。其次,介绍了电力系统中风力发电系统常用的时域仿真分析技术,主要综述了电磁暂态仿真、机电暂态仿真、中长期动态仿真、机电-电磁暂态混合仿真和数模混合仿真技术。然后,简述了风力发电系统建模与仿真的新进展。最后,分析了电力系统中风力发电系统的建模及其仿真技术面临的挑战与瓶颈,并结合新型电力系统的需求,对其建模与仿真技术进行了展望。

交直流电网多时间尺度暂态仿真接口综述

为满足大规模交直流电网多时间尺度动态过程的准确、高效仿真需求,已有研究结合不同仿真建模理论深入讨论了多时间尺度分区仿真方法。对于多时间尺度分区仿真,不同分区间的仿真接口是决定仿真成败的关键。首先,分析了交直流电网的多时间尺度特性及分区多时间尺度仿真的分类。然后,梳理了机电-电磁暂态离线仿真接口设计的关键问题。进一步,归纳了多速率电磁暂态仿真接口和移频-常规电磁暂态混合仿真接口的研究现状。最后,对多时间尺度分区协同仿真接口设计的未来研究方向进行了展望。

分频输电系统同步发电机端口三相短路引起的振荡转矩分析

为了研究分频输电系统频率降低对水轮发电机机端三相短路时所产生的振荡转矩初始幅值的影响,建立了同步发电机的5阶数学模型,推导了5阶模型下同步发电机带负载机端突然三相短路时,振荡转矩初始幅值的解析表达式;比较了工/分频水轮发电机在额定工作状态下经同一短线路向系统送出有功和无功时,机端电压与功角的大小关系;在水轮同步发电机的实际工程应用标准参数与电气参数限定范围内,研究了振荡转矩初始幅值关于机端电压与功角的单调性,比较了相同工况下工/分频系统振荡转矩初始幅值的大小,并量化分析比较了包括频率在内的多种因素对振荡转矩初始幅值的影响程度。研究结果表明:在水轮同步发电机参数、工况相同,仅考虑频率降低的情况下,经短线路向系统送出功率,分频输电系统振荡转矩的初始幅值小于工频系统;在各影响因素中,直轴次暂态电抗对振荡转矩初始幅值影响最大,交轴同步电抗影响最小。

选择型直流输电控制系统实用机电暂态建模与参数校核方法

目前,国内高压直流输电技术分为两类:一是基于ABB、南瑞技术路线的限幅型直流,二是基于SIEMENS、许继技术路线的选择型直流。前者已有成熟机电暂态仿真模型,而后者尚缺乏深入研究,通常以限幅型模型近似代替,仿真结果与实际尚有一定差距,难以满足电力系统安全稳定计算的需求。该文在总结直流输电系统机电暂态建模原则的基础上,建立了选择型直流的精细化模型;利用轨迹灵敏度筛选出需校核参数,提出了基于实测数据的关键参数校核方法;并在中国通用的电力系统暂态稳定程序(powersystem department power tools-swing transient,PSD-ST)中开发实现,最后利用厂家电磁暂态仿真结果验证了模型的正确性。该文成果可改善直流控制系统模型缺失、仿真能力受限问题,有效提升机电暂态仿真程序的仿真精度。

基于静止无功发生器详细模型的机电暂态仿真适应性分析

机电暂态仿真是大电网分析的重要工具。现有电力电子设备的机电暂态模型一般呈现理想电流源特性,无法体现设备自身稳定性及能力约束对于系统暂态特性的影响。在电力电子化电力系统背景下,以上不足降低了仿真准确性,制约了电网运行极限制定与新能源送出能力。文中基于旋转坐标系推导了静止无功发生器及控制系统的标幺化数学模型,并建立了对应的机电暂态模型。在建模精度与电磁暂态模型一致的前提下,通过模态分析法对比了机电暂态仿真与电磁暂态仿真的主要差异,揭示了机电暂态仿真的能力边界与适用范围。结果表明,机电暂态仿真能够揭示与工频能量流有关的功角、频率、电压稳定特性,而不能反映与电网动态强相关的谐振或者宽频振荡特性。

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。

永富直流回送云南电网方式安全稳定分析

永富直流“十三五”期间主要以送电广西电网为主,随着滇东南地区负荷的快速增长,永富直流需回送云南电网,满足新增负荷的用电需求,减轻云南电网500 kV南北交流断面和滇东南500 kV交流断面的输送潮流。本文对现状电网永富直流回送云南电网以及500 kV柳井输变电工程投产后永富直流回送云南电网的系统稳定性进行了仿真分析。仿真结果显示,现状电网不能完全满足永富直流回送云南电网的运行要求,500 kV柳井输变电工程投产后永富直流具备回送云南电网的条件。

Comparative Study on Electromagnetic and Electrome-chanical Transient Model for Grid-connected Photovoltaic Power System

With the development of new energy technology, there are increasing applications of grid-connected photovoltaic power generation system. However, there is little research on development of electromechanical model of large scale photovoltaic power station. The computational speed will be very slow if electromagnetic transient model is used for stability study because of its complexity. Therefore, study on electromechanical transient model of grid-connected photovoltaic power generation system is of great meaning. In this paper, electromagnetic transient model of photovoltaic power generation system is introduced first, and then a general electromechanical transient model is proposed. These two kinds of simulation model are set up in PSCAD. By comparing the simulation results of two models, the correctness and validity of the electromechanical transient model is verified. It provides reference model for efficient simulation and modeling of grid-connected photovoltaic power station in large-scale power systems.

100%新能源电源经柔性直流送出系统的机电暂态建模仿真研究

100%新能源电源经柔性直流送出系统是一种新能源基地送出的重要形式,目前常用的机电暂态仿真软件尚无对应算法与模型可对其进行建模仿真。为此,分析100%新能源电源经柔性直流送出系统的基本控制原理,提出无同步机情况下“新能源+柔性直流系统”的机电暂态仿真一般结构,建立此系统中柔性直流输电系统的电压频率(Vf)控制模型,柔性直流采用电压源模型接入,以解决电流源模型接入时易产生的数值振荡问题。基于DSP软件建立仿真模型,构建直驱风电机组、光伏发电经柔性直流送出系统的仿真案例,将所建立模型与PSCAD电磁暂态模型进行仿真结果比对,同时开展所建立模型在新能源功率波动和系统短路故障等不同扰动情况下的响应分析,仿真结果验证了所提建模方法的有效性。

大规模电力系统仿真用新能源场站模型结构及建模方法研究(二):机电暂态模型

机电暂态仿真是大规模电力系统仿真分析的主要工具,合理的场站分群等值是研究大规模新能源电力系统安全稳定分析的基础。该文首先分析新能源场站在大扰动下的动态特性,并将其划分为3个时段,对比分析目前新能源场站单机倍乘模型的不适应性。然后,分别从新能源场站的功率分布和电压分布特性分析大扰动的3个时段过程中对等值建模误差的影响。基于功率和电压分布特性的误差分析,提出新能源场站等值模型结构,并给出等值原则及模型参数聚合方法。最后,通过实际新能源场站仿真和大电网算例,验证所提模型的有效性和适应性。

光伏逆变器机电暂态模型的控制模式及参数一体化辨识策略

光伏逆变器的稳态功率控制及电压穿越控制环节均包含多种控制模式和多个参数,不同控制模式下逆变器的运行特性有较大差别。提出了针对光伏逆变器机电暂态模型控制模式及参数的一体化辨识策略。首先,确定稳态运行、故障穿越期间主要控制模式及重要参数;其次,利用功率、电压、电流等测量值,采用基于最小二乘的多元线性回归辨识电压穿越环节控制模式及参数,采用自适应粒子群算法辨识稳态功率控制环节控制模式及参数;最后,使用光伏逆变器实测数据进行验证,对比仿真结果与实测数据误差的结果证明了所提控制模式及参数一体化辨识策略的有效性。

集中式储能电站机电暂态建模及自适应附加功率控制方法

目前的储能建模研究大都关注其电磁仿真模型,难以用于大规模储能接入对系统稳定性的影响研究。该文提出了集中式储能电站的机电暂态建模方法,在电力系统分析综合程序PSASP的用户自定义(UD)模块中搭建了考虑限幅和附加功率控制的储能机电暂态仿真模型。在此基础上,提出了储能电站的自适应附加功率控制方法,并搭建了相应控制模块。不同工况下的仿真结果证明,所提模型能够准确模拟储能对电力系统的暂态支撑,所提自适应附加功率控制方案进一步提升了储能电站对系统的暂态支撑能力。

基于节点功率注入的双芯对称型晶闸管可控移相器机电暂态建模

晶闸管可控移相器(thyristor controlled phase shifting transformer,TCPST)具有快速响应特性,可用于提高系统稳定性。为实现含柔性交流输电系统(flexible AC transmission system,FACTS)设备的大规模电力系统暂态稳定计算,提出了TCPST的机电暂态仿真模型。考虑TCPST的电气部分和控制结构,通过模型等效和等价变换,推导了TCPST节点功率注入模型的数学表达式,并建立计及附加阻尼控制器的档位控制模型。此外,针对TCPST仿真模型中档位离散切换特性所带来的数值振荡问题,提出了利用滤波环节处理注入功率的抑制方案。最后在交直流电力系统计算分析软件中搭建了TCPST的机电暂态模型,并将模型应用到南方电网的算例中。通过算例系统的DSP、BPA和PSCAD仿真计算结果比较,验证了所搭建模型的准确性,且该机电暂态建模方法可为其他FACTS设备的仿真建模提供参考。

基于PSD-BPA的双馈风电机组分段故障穿越特性及控制模式分析

针对双馈风电机组故障穿越控制模式不清晰,在建立机电暂态模型时采用单一控制模式无法准确反映实际特性的问题,对风机控制器进行了硬件在环测试,得到其在不同电压跌落深度下的故障穿越特性,发现双馈风电机组在低电压过渡期间的无功控制模式为指定无功电流模式,有功控制模式为指定有功电流模式,但电压跌落深度在0~0.7(p.u.)和0.7(p.u.)~0.9(p.u.)时,控制参数存在显著差异。因此,辨识出双馈风电机组分段控制参数,进而建立精确的机电暂态模型,确保模型满足电力系统仿真需求,提高新能源消纳能力和电网安全稳定运行水平。