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。

电压控制型虚拟同步发电机的高频谐振特性分析与抑制策略

虚拟同步发电机(VSG)模拟同步发电机的运行机制,引入了有功调频和无功调压控制环节,与传统电流控制型变流器不同,是一种电压控制型策略。文中立足电压控制型虚拟同步发电机控制结构和网源协调特性,构建小信号分析模型,分析在不同控制参数与电网参数场景下的振荡模态,进而掌握电压控制型虚拟同步发电机并网系统的高频谐振特性,并针对性提出高频谐振抑制策略。首先,分别建立电压控制型虚拟同步发电机、传统变流器各控制和电气环节的小信号分析模型,通过特征根分析方法,定量分析所有特征根的振荡模态和阻尼比,发现电压控制型虚拟同步发电机存在与传统变流器类似的高频振荡模态;同时分析虚拟同步发电机控制参数变化、电网强弱场景对其高频谐振阻尼作用机理。其次,基于电压控制型虚拟同步发电机控制策略,以有源阻尼方法为解决思路,提出基于电流内环前端通道引入虚拟阻抗控制策略的谐振抑制方法,抑制其高频谐振。最后,利用Matlab/Simulink仿真和RT-LAB控制器在环实验结果验证所提出的控制策略,结果表明虚拟阻抗控制环节起到有效正阻尼作用,相比于无源阻尼方法,在无需额外增加测点和外部控制量的情况下,电压控制型VSG网侧阻尼特性改善,暂态响应能力增强,高频失稳现象得到有效抑制。

基于复频率信号注入的直流接地极线路故障测距方法

在直流输电系统接地极线路配备阻抗监视系统的背景下,可利用高频测量阻抗特性实现故障距离的精确计算。然而,分析发现直流系统接地极线路在不同故障条件下可能产生相同的高频测量阻抗,这意味着测量阻抗与故障距离间不是一一映射关系,由单一测量阻抗难以得到准确的故障距离。文中分析了高频测量阻抗的重合特性随注入信号变化的特征,提出了基于复频率信号注入的故障测距方法,并给出了复频率的选定策略。该方法改进了基于高频测量阻抗幅相特性的接地极线路故障测距方法,实现了故障位置的准确计算。最后,通过仿真算例充分验证了所提测距方法的可行性和精确性。

线路阻抗对构网变流器降阶模型精度影响及次同步振荡分析

在大部分关于构网变流器(GFM)次同步振荡稳定性的研究中,GFM通常被简化为只含有功率外环的三阶模型,这种降阶方法虽然简便,但其精确度会受到线路阻抗特征的影响,因此需要对GFM降阶模型适用性问题展开讨论,并提出更加精准的降阶模型。分析电网线路阻抗特征变化对降阶模型精度的影响,结果表明线路阻感比变化或短路比变化时三阶模型不能精确反映系统特性的变化,会对系统稳定性产生错误判断,其原因在于线路阻抗参数会影响电压环与功率环的耦合特性,2个控制环路均会对GFM次同步振荡稳定性产生影响。提出一种更加准确的包含电压环的降阶模型,可以精确表征线路阻抗特征变化对系统特性的影响,更加适合复杂电网下GFM的稳定性分析。基于MATLAB/Simulink仿真验证了理论分析的正确性及所提模型的有效性。

基于分段仿射阻抗模型的电压源变流器小扰动稳定域在线构造

近年来小扰动振荡事故频发,亟需建立能反映新能源并网系统全工况的在线稳定域。小扰动在线稳定域可以为时变性和波动性下新型电力系统的安全评估和控制优化提供强有力的支撑。因此,提出基于分段仿射阻抗模型的电压源变流器(voltage source converter,VSC)小扰动稳定域在线构造方法。首先,该方法使用电压、功率和频域因子作为分区变量,离线构建VSC的分段仿射阻抗模型。在线计算时根据运行工况可以快速定位运行分区并确定对应的线性仿射模型,从而极大地提高阻抗计算的效率。其次,提出VSC稳定域边界点的双层优化模型,利用改进的广义奈奎斯特判据和复合形法进行快速求解。然后,通过改变双层优化模型的求解方向搜索边界点,基于分段拟合获取准确的边界解析式。最后,仿真算例和实验结果表明,分段仿射阻抗模型与全阶阻抗模型误差小于1%;该方法可以准确和高效地构建在线稳定域。

基于电压矩阵的跟网变流器无锁相环控制的本质特征与提升策略

弱电网下跟网变流器由于锁相环引起的负阻特性容易造成振荡现象。针对锁相环的提升策略已有较多研究,其中,基于电压矩阵的同步控制策略因其不存在锁相环受到广泛关注,但关于其稳定性缺乏严格的理论证明。文中分析表明,基于电压矩阵的无锁相环控制策略本质上是基于并网点电压反正切计算的开环定向方式,虽然去除锁相环但不能提高稳定性。因为该策略并没有降低电压扰动给电流控制带来的负阻特性,所以如何降低并网点电压扰动对于电流控制的影响是提升弱电网下跟网变流器稳定性的关键。因此,提出自适应带通滤波器来降低同步环节的带宽,从而提升跟网变流器在弱电网下的稳定性。最后,通过阻抗模型和实验结果验证了理论分析的正确性和所提策略的有效性。

考虑直流侧动态的跟网型变换器稳定性分析

目前大部分关于并网变换器的研究忽略直流侧动态,在直流侧使用恒定电压源,一定程度上影响小干扰稳定性分析。文中主要考虑直流侧动态对跟网型变换器进行建模及稳定性分析。首先,分析新能源场站并网系统直流侧可等效为电压源和受控电流源的适用条件,论证并网变换器建模时考虑直流侧动态的必要性。随之,建立考虑直流侧动态的跟网型变换器谐波状态空间(harmonic state-space,HSS)阻抗模型。其次,在不同电网强度下,通过伯德判据对不同直流侧结构的系统进行稳定性分析,揭示电网强度对跟网型变换器稳定性的影响机理。然后,分析锁相环、电流环、滤波环节对系统阻抗特性的影响。最后,理论分析与电磁暂态仿真结果表明弱电网条件下,锁相环与电网呈现强交互作用,降低了系统的小干扰稳定性,且考虑直流侧动态的系统临界短路比更大。

考虑右半平面极点的三相并网变换器小干扰稳定性分析

电力电子设备渗透率的不断提高使得电力系统转动惯量和阻尼水平下降,对新型电力系统安全稳定运行带来不可忽略的影响。目前并网变换器系统判稳方法常采用奈奎斯特判据和广义奈奎斯特判据,但这两种判据均适用于阻抗比中不含右半平面(right half plane, RHP)极点的场景。针对上述问题,基于考虑正负序耦合和源荷之间耦合的等效单输入单输出(single-input single-output, SISO)系统阻抗模型,提出了考虑RHP极点的三相变换器并网系统判稳方法。首先,对研究系统的RHP极点个数及奈奎斯特曲线包围点(-1, j0)的次数进行估算。然后,在奈奎斯特判据的基础上,利用SISO系统阻抗伯德图进行分析,在系统存在RHP极点的情况下对系统的稳定性进行判断。最后,基于Matlab/Simulink中搭建电磁暂态仿真模型,验证了在有无RHP极点的不同场景下,所提判稳方法均能对三相变换器并网系统的小干扰稳定性进行有效分析。

低频输电系统中运行频率对变流器稳定性影响分析

为分析低频工况下运行频率对并网变流器小干扰稳定性的影响,分析了包含频率变量的锁相环、电流内环、LC滤波器和线路的动态方程,推导了对应的小信号模型,建立了变流器和电网的阻抗模型,展示了变流器阻抗模型不受运行频率影响的机理。组建了变流器并网系统的闭环特征方程,使用根轨迹法揭示了运行频率的变化对并网变流器小干扰稳定性的影响规律。基于MATLAB/Simulink平台,分别搭建了运行频率为20Hz和50Hz的变流器并网系统仿真模型,仿真结果与理论分析一致。

基于阻抗分析的无刷双馈独立发电系统控制参数设计方法

无刷双馈电机由于其高可靠性在独立发电应用中优势显著,然而特殊的电机结构亦导致控制参数设计更复杂。针对常用闭环函数法即使辅以强大的计算机软件,其分析结果仍含有大量干扰信息,不便于判定系统稳定情况的问题,本文充分借鉴双馈并网系统的阻抗分析思路,提出一种无刷双馈独立发电系统的控制参数设计方法。通过分别建立机侧、荷侧阻抗模型,避免信息过度集中而增加建模复杂程度,进而以工况变化下系统稳定为核心指标,基于广义奈奎斯特稳定判据对关键电流环参数进行设计。由于反映系统稳定情况的奈奎斯特曲线与(-1, j0)相对关系不受阻抗模型复杂程度影响,本文所提控制参数设计方法无需人工简化干预,可充分发挥计算机软件的智能优势。最后,在次/超同步满载等典型工况下,基于无刷双馈独立发电仿真及实验系统验证了所得控制参数的有效性,可保证工况改变时系统稳定发电并维持较好性能。

高速行驶工况下纯电动汽车电力系统失稳边界预测

针对纯电动汽车电力系统在高频变载荷条件下易发生母线电压振荡失稳的问题,建立整车电力系统各部分的小信号模型,获得了系统源-变换器的输出阻抗与电机负载的输入阻抗,在传统阻抗比判据基础上,结合系统的稳定裕度,推导了整车电力系统稳定性判定规则,并利用伯德图进行了系统失稳预测研究,探究高速工况下纯电动汽车的电力系统失稳边界。仿真验证结果表明,轮毂电机在额定转矩下工作时,整车的最高车速不应超过188km/h,且轮毂电机的转矩变化会影响车辆稳定性,单个轮毂电机转矩突变不应超过220N·m,与理论分析结果基本一致,证明了该稳定性判定规则可在一定程度上预测整车电力系统失稳边界。

V2G车网互联的双向AC/DC变换器直流阻抗模型及特性分析

双向AC/DC变换器的控制及直流输出阻抗是电动汽车充电桩并网运行及稳定性分析的关键。首先,提出含直流下垂环节的虚拟同步电机(VSM)控制策略,并利用上层功率指令实现双向AC/DC变换器直流电压的无差调节。然后,建立VSM功率控制环小信号模型,分析有功功率传输、有功功率指令与直流电压间的交互作用及影响。接着,建立双向AC/DC变换器在直流下垂VSM控制策略下的直流输出阻抗模型,详细分析阻尼系数、惯性系数、直流侧电容、传输功率、直流下垂系数等关键参数对直流输出阻抗的影响。最后,通过仿真及阻抗测量验证了所提直流下垂VSM控制策略的有效性和阻抗模型的正确性。

基于信号包络与希尔伯特边际谱的高阻接地故障检测方法

配电网高阻接地故障(HIF)信号具有失真性和随机性,故障特征微弱,难以被有效检测。为此,本文提出一种基于信号包络(SE)和希尔伯特边际谱(HMS)的HIF诊断方法。该方法对长时间尺度的零序电压提取SE和HMS,分别代表HIF的失真性和随机性特征。将这些特征转化为图像,利用ResNet18实现对HIF的检测。该方法的有效性已在10kV真型试验中得到验证,试验结果表明,该方法的HIF检测精度明显优于对比方法,尤其是在谐振接地系统中。

基于修正开关函数的LCC-HVDC整流站直流侧阻抗建模

电网换相换流器高压直流输电凭借输送容量大、距离远等优势在国内得到广泛应用。换流站作为交直流系统连接枢纽,其精确建模具有十分重要的意义。该文提出一种将换流变压器等值漏感折算至直流侧后的开关函数修正模型,该模型从根本上计及换流站的换相过程,能够准确计算出稳态直流电压;同时基于该修正模型,建立了LCC-HVDC整流站的小信号直流侧低频阻抗模型。最后,在PSCAD/EMTDC中利用Cigre Benchmark模型,对提出的开关函数修正模型及建立的LCC整流站阻抗模型进行仿真验证,证明模型的正确性。

有损LC滤波器和Buck变换器级联系统有源阻尼控制方法

以LC滤波器和Buck变换器带恒定负载构成的级联系统,若前级电路LC滤波器参数设计不当,系统会因前后级参数不匹配引发电压振荡。尽管现有研究针对该系统探究了其近似线性化建模、阻抗比判据及阻尼控制设计,但均忽略了滤波器自身损耗的影响。因此,提出了计及滤波器损耗参数的系统电路模型,在此基础上列写小信号方程推导出系统端口等效阻抗,以赫尔维茨劳斯判据分析了其损耗参数对系统稳定性的作用规律,逐一设计了系统有源阻尼前馈控制回路传递函数。最后,分别通过阻抗比判据等效阻抗伯德图及仿真,分析和验证了该控制方法的有效性。

虚拟复阻抗下垂控制的多逆变器并联小信号建模

多逆变器并联是解决光伏等分布式发电扩容、备用、保护的重要手段。针对传统下垂控制方法抗扰能力弱、环流现象严重以及容易产生振荡等不足,文章提出基于虚拟复阻抗的改进下垂控制策略,建立并网模式的传统下垂控制与改进下垂控制逆变器并联小信号数学模型,分析系统特征根的分布对于有功下垂系数、无功下垂系数的影响问题,通过引入虚拟复阻抗增强低频域环境的特征根阻尼,解决逆变器并联运行的振荡难题,研究元件参数对于系统稳定性的影响,为并联逆变器参数选型提供理论依据。最后通过Matlab/Simulink建立数学模型、设置相应参数、验证所提控制策略的合理性与可行性。

小电阻接地系统高阻接地故障检测技术综述

小电阻接地系统发生高阻接地故障时电流小于传统的零序电流保护动作阈值,并且时常伴随有电弧的发生,难以准确检测与切除高阻接地故障。文章基于零序等效网络分析了小电阻接地系统单相高阻接地故障时母线零序电压理论特性和各出线零序电流特征;针对高阻接地故障常伴随发生的电弧现象,从故障点燃弧的物理过程出发,详尽分析了常用的Cassie电弧模型、Mayr电弧模型、改进的Mayr电弧模型、Mayr-Cassie组合电弧模型和Emanuel电路模型等六种电弧模型的物理近似过程、数值推导过程、试验验证及适用条件;分别从时域的伏安特性分析法和零序电流畸变法、频域的故障电流信号法和故障电压信号法出发,分析了高阻接地故障检测方法中的信号处理过程、故障特征提取方法、检测方法的优点与不足;认为采用零序电流波形在过零点附近畸变引起的波形斜率曲线变化作为故障特征具有明确的数学与物理意义,采用零序电压信号经小波包分解后高频段与低频段能量比作为故障特征,基本不受故障条件、系统结构等因素的影响,具有较好的检测效果。

计及SVG的双馈风电场高频阻抗建模及振荡分析

接入静止无功发生器(static var generator,SVG)的双馈风电机组(doubly-fed induction generator,DFIG),由于它们的交互作用,易产生高频振荡现象,极大地威胁到了双馈风电场的安全稳定运行。针对这一问题,分别建立了SVG、双馈风力发电机组和电缆线路的高频阻抗模型,并通过MATLAB/Simulink仿真平台进行频率扫描,验证了阻抗模型的正确性。经分析发现双馈机组与电缆连接后高频阻抗呈现容性,SVG高频阻抗呈现负电阻电感特性,因此双馈风电场接入SVG后会引发高频谐振现象,导致高频振荡失稳。同时,基于高频阻抗模型研究了接入SVG后影响互联系统高频稳定性的关键因素,发现SVG和DFIG网侧换流器的延时环节、电流环的比例系数是引发风电场高频振荡的主要原因。针对振荡原因,进一步提出了一种基于同步旋转坐标系下电压前馈的SVG阻抗重塑策略,提高了风电场高频稳定性。最后,在MATLAB/Simulink中建立了双馈风电场的电磁暂态仿真模型,结合实际案例参数,验证了理论分析的正确性和阻抗重塑方法的有效性。

弱电网下双向并网变流器虚拟正阻尼重塑控制

针对弱电网下恒功率控制模式中双向并网变流器系统稳定性会因功率传输方向的不同而产生差异进而引发系统振荡甚至失稳的问题,提出了一种虚拟正阻尼重塑控制策略,将负阻抗重塑为正阻抗,增强系统阻尼进而提升稳定性。首先,详细地建立了双向并网变流器交流侧端口阻抗在d-q坐标系下的小信号模型,分析了不同功率方向下阻抗特性的差异。其次,结合系统最小环路比表达式和电网等值阻抗表达式,基于奈奎斯特稳定判据,分析了电网等值阻抗大小和功率传输方向两个因素对系统稳定性的影响。然后,分析了弱电网下双向逆变器虚拟正阻尼重塑控制策略,并对其进行建模与分析。结果表明:虚拟正阻尼重塑控制可以实现将负阻抗重塑为正阻抗,并增强系统阻尼。并且,即使在电网等值阻抗较大的弱电网下,系统也能保持较好的双向功率稳定性。最后,基于MATLAB/Simulink和小功率实验平台验证所提策略的有效性。

基于隔离型模块化多电平换流器的中压直流柔性互联配电系统稳定性分析

中压直流柔性互联配电系统作为连接高压输电网和低压直流配电网的纽带,可实现源-网-荷-储的灵活接入,适用于未来城市能源互联网。建立了基于隔离型模块化多电平换流器的中压直流柔性互联配电系统小信号等效电路,推导了中压直流端口的阻抗模型,通过对比仿真测量与解析计算结果验证所建模型的准确性,并利用所建精确模型进一步研究电路参数和控制参数变化对系统稳定性的影响。在MATLAB/Simulink仿真平台搭建中压直流柔性互联配电系统的仿真模型,验证了所提小信号阻抗模型的准确性。