Analysis of Additional Damping Control Strategy and Parameter Optimization for Improving Small Signal Stability of VSC-HVDC System

The voltage source converter based high voltage direct current(VSC-HVDC)system is based on voltage source converter,and its control system is more complex.Also affected by the fast control of power electronics,oscillation phenomenon in wide frequency domain may occur.To address the problem of small signal stability of the VSCHVDC system,a converter control strategy is designed to improve its small signal stability,and the risk of system oscillation is reduced by attaching a damping controller and optimizing the control parameters.Based on the modeling of the VSC-HVDC system,the general architecture of the inner and outer loop control of the VSCHVDC converter is established;and the damping controllers for DC control and AC control are designed in the phase-locked loop and the inner and outer loop control parts respectively;the state-space statemodel of the control system is established to analyze its performance.And the electromagnetic transient simulation model is built on the PSCAD/EMTDC simulation platform to verify the accuracy of the small signal model.The influence of the parameters of each control part on the stability of the system is summarized.The main control parts affecting stability are optimized for the phenomenon of oscillation due to changes in operation mode occurring on the AC side due to faults and other reasons,which effectively eliminates system oscillation and improves system small signal stability,providing a certain reference for engineering design.

基于MATLAB的功率因数可控的AC-DC变换电路研究

为解决谐波信号过多可能会导致电网的传输效率降低的问题,对功率因数可控的AC-DC变换电路进行了研究.基于Boost型单级有源功率因数校正变换器,控制电路中采用了外电压环和内电流环双闭环控制系统,利用滞环电流控制提高交流端功率因数,电压环稳定输出电压.采取小信号分析法,建立小信号模型并设计了控制电路.通过MATLAB仿真实验可得,双环控制的功率因数校正电路能够实现高功率因数,同时能够稳定输出电压.

Numerical Analysis of Gate-to-Source Distance Effects in SiC MESFETs

Two-dimensional DC and small-signal analysis of gate-to-source scaling effects in SiC-based high-power field-effect transistors have been performed in this paper. The simulation results show that a downscaling of gate-to-source distance can improve device performance, i.e. enhancing drain current, transconductance, and maximum oscillation frequency. This is associated with the peculiar dynamic of electrons in SiC MESFETs, which lead to a linear velocity regime in the source access region. The variations of gate-to-source capacitance, gate-to-drain capacitance, and cut-off frequency with respect to the change in gate-to-source length have also been studied in detail.

弱连接VSC在“外环-锁相环”时间尺度下的一类小扰动稳定性提升方法及等效性分析

大量理论研究发现电压源换流器(voltagesource converter,VSC)接入薄弱电网后,易发生由“外环–锁相环”交互所主导的小扰动失稳现象,且在多个实际工程中也发现此类稳定问题。为此,国内外学者提出了大量改进控制方法,其基本原理为在有功外环、无功外环与锁相环三者之间施加附加补偿控制,以提升弱连接VSC(weak-grid connected VSC,WG-VSC)并网稳定性。该文将这些方法归纳为WG-VSC在“外环–锁相环”时间尺度下的一类小扰动稳定性提升方法。试想,这些策略都能提升稳定性,那么它们是否存在某种等效性?此外,基于等效性原理,还能否推导出其他的改进控制措施?该文研究动机是期望从方法论的视角回答上述问题,进而为解决此类稳定性问题提供基本依据。该文创新工作是基于一种能够清晰展现“外环–锁相环”交互关系的等效锁相环模型,首次揭示了这一类改进控制方法在提升WG-VSC“外环–锁相环”时间尺度小扰动稳定性方面具有等效性。此外,通过观察分析现有补偿控制策略在拓扑结构和作用机理上的特点,该文还预测了其余多种新型小扰动稳定性提升控制策略,并基于等效锁相环(phaselockedloop,PLL)模型分析得出,通过特定的控制器设计方法,可使得此类补偿控制策略在WG-VSC系统小扰动稳定性提升方面具有等效性。最后,基于PSCAD/EMTDC的详细电磁暂态仿真模型验证了该文理论分析的准确性。

风光经LCC-HVDC送出系统宽频振荡分析

新能源基地的大规模集中开发和特高压直流的快速发展,有力推动了我国能源结构变革,使得电力系统“双高”特点进一步凸显。以图形化建模的思想建立了风光同时经直流送出系统的模块化小信号模型,并利用特征值分析法对系统进行振荡模式分析与参与因子分析。结果显示,风光联合直流系统呈现出宽频带振荡特性,不同频段的影响因素各不相同,改变主导因素参数会影响模式阻尼,为大规模新能源并网宽频振荡抑制提供参考。

MMC-HVDC的直流振荡特性及抑制措施研究

柔性直流输电系统(MMC-HVDC)直流振荡现象的内在机理比较复杂,可能的影响因素较多。针对该问题,基于MMC的等效数学模型,采用小信号分析手段,建立了MMC直流侧回路的等效模型,基于该等效模型对MMC-HVDC的直流侧回路进行频域动态响应分析,并结合某实际工程遇到的直流侧低频振荡现象,考虑工程中控制系统的实际特性,对引起直流侧低频振荡的因素进行了分析,设计了抑制直流电流振荡的控制策略,并基于RT-LAB实时仿真平台搭建了相应的仿真模型对其进行了研究,仿真结果验证了理论分析的合理性及控制策略的有效性。

跟网型变换器的小扰动同步稳定机理分析与致稳控制

弱电网下,跟网型变换器易出现因阻尼不足导致的小扰动同步失稳问题。为此,该文借鉴复转矩分析理论,计及复杂控制耦合,建立跟网型变换器的复转矩模型。量化多环控制耦合、线路阻抗、控制参数等因素对系统阻尼转矩的影响,从阻尼的角度揭示跟网型变换器的小扰动同步失稳机理。根据理论分析,提出一种基于相位补偿的锁相环阻尼重塑控制策略,通过补偿多环控制耦合引入的负阻尼,增强变换器的小扰动同步稳定性。最后,开展相应的仿真与实验,验证理论分析的正确性与改进控制策略的有效性。

基于传递函数分析的双馈风力发电系统动态建模方法研究

以双馈风力发电系统(doubly-fed induction generator based wind energy conversion system,DFIG-based WECS)为例,利用小信号分析法推导出由风机、双质量块传动链构成的动力与传动系统通用传递函数方程。动力与传动系统传递函数的零极点位置、稳定性与系统参数及系统运行工作点相关。该传递函数可进一步分解为扭转分量和非扭转分量。传动链参数仅对扭转分量造成影响。在此基础上,建立了考虑动力传动、电机、变流器、控制等环节的风力发电系统传递函数模型。模型综合了各环节参数,可直观反映系统参数对系统响应的影响,有助于深入了解系统动态行为。算例及时域仿真结果证明了所提出传递函数模型的准确性和高效性,可为系统参数设计研究提供理论依据。

Small signal stability analysis of a synchronized control-based microgrid under multiple operating conditions

In this paper,a synchronized control strategy of double fed induction generator that can provide reserve capability and primary frequency support for microgrid is firstly developed.The microgrid based small signal stability performance is investigated under multiple operating conditions.The effect of three categories of key controller parameters on dominant eigenvalues is studied by sensitivity analysis,including:1)active power drooping coefficient;2)reactive power drooping coefficient;3)parameters of outer loop excitation current control.Finally,some constructive suggestions on how to tune controller parameters to improve microgrid’s small signal stability performance are discussed.

基于VSG下垂优化控制的新能源电力系统惯性提升

针对传统VSG技术动态性能较差且重要参数J和D最优值较难确定的问题,提出了一种基于下垂控制与神经网络预测的VSG控制与参数优化策略,实现了VSG技术中关键参数J和D的动态调节。首先,所提策略将有功功率-频率下垂控制应用于VSG的控制算法中;其次,通过模拟同步发电机转子运动方程和电压与无功控制特性,建立VSG的小信号分析模型,完成了关键参数转动惯量与阻尼系数的初值整定;最后,建立了人工神经网络进行分析学习和网络训练,调整权值以改变VSG转动惯量与阻尼系数,通过误差函数比较输出量与输入量之间的误差,多次学习训练后参数达到期望值。将神经网络优化算法与下垂控制策略结合,对VSG控制策略进行优化。分别采用传统VSG控制、恒定参数下垂控制和基于神经网络优化的自适应参数下垂控制对算例进行仿真,结果表明:所提基于神经网络优化的自适应参数下垂控制比传统VSG控制的频率最大变化量降低了26.7%,频率稳定时间降低了0.25 s,表明了所提策略的有效性。

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。

Small-signal stability analysis of photovoltaic generation connected to weak AC grid

A small-signal model of photovoltaic(PV)generation connected to weak AC grid is established based on a detailed model of the structure and connection of a PV generation system. An eigenvalue analysis is then employed to study the stability of PV generation for different grid strengths and control parameters in a phaselocked loop(PLL) controller in the voltage source converter. The transfer function of the power control loop in the dq rotation frame is developed to reveal the influence mechanism of PLL gains on the small-signal stability of PV generation. The results can be summarized as follows:(1)oscillation phenomena at a frequency of about 5 Hz may occur when the grid strength is low;(2) the tuning control parameters of the PLL have a noticeable effect on the damping characteristics of the system, and larger proportional gain can improve the system damping;(3)within a frequency range of 4-5 Hz,the PLL controller has positive feedback on the power loop of PV generation. A virtual inductance control strategy is proposed to improve the operational stability of PV generation. Finally, a simulation model of PV generation connected to weak AC grid is built in PSCAD/EMTDC and the simulation results are used to validate the analysis.

构网型柔性直流系统阻尼环节控制策略优化研究

采用构网控制的柔性直流输电系统可模拟同步电机运行特性,为电网提供频率和电压支撑,而传统的功率同步型构网控制阻尼环节引入了调频功能,使柔直功率输出随电网频率变化而波动。该文基于同步发电机调频和阻尼环节的机理辨析,提出了功率同步型构网控制阻尼环节改进方法,可同时满足并网运行稳态功率精准控制和频率突变的阻尼需求,并基于小信号稳定分析给出了控制参数设计原则,基于电磁暂态仿真平台以及渝鄂柔性直流工程现场试验验证了改进策略的有效性。

三相电压型VIENNA整流器建模及稳定性分析

基于电动汽车直流充电桩的VIENNA型前级整流电路,提出采用小信号方法对VIENNA整流器进行建模。该方法首先通过采用局部线性化技术和状态空间平均法推导dq0坐标系下VIENNA整流器的数学模型,得出相关传递函数矩阵,即VIENNA整流器小信号线性化模型,进而用于控制器的设计;然后,采用频域法分别对电压环、电流环进行设计,利用频域法及根轨迹曲线详细分析各项参数对系统的影响,并利用曲线拟合的方式给出了系统稳定域随各项参数变化的曲线;最后,在实验中验证所提方法的正确性。

直流电抗器对VSC-MTDC输电系统稳定性的影响分析

直流电抗器可以限制多端柔性直流输电系统中直流故障电流的上升率,但大容量的直流电抗器又会对系统稳定性产生一定的影响。提出了含有直流电抗器的多端柔性直流输电系统稳定性模型,推导出含交流侧参数、换流站参数以及带直流电抗器的输电线路分布参数的多输入–多输出状态空间矩阵表达式,绘制出不同直流电抗器情况下系统的根轨迹曲线,分析了主导极点的变化情况,确定了不同接收功率下保证系统稳定运行的直流电抗器临界值,为直流电抗器参数的选取提供了理论依据。利用PSCAD/EMTDC软件搭建了三端柔性直流输电系统模型,验证了该理论方法的正确性。

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。

基于虚拟同步发电机的多机逆变系统稳定性分析

为解决新能源并网逆变系统给电网惯量和阻尼特性带来的问题,虚拟同步发电机技术(VSG)得到广泛应用,但VSG的引入也可能对系统的稳定性带来影响。对此,首先在单机逆变系统小信号模型的基础上建立多机逆变系统小信号模型;然后,分析系统关键参数特征根轨迹,从参数异步变化角度研究目标参数对多机系统整体和各VSG之间高、中、低频稳定性的影响,揭示了多机系统参数的多频段稳定性影响规律,确定了多机系统部分结构和控制参数的稳定裕度。最后,通过仿真试验验证了理论分析的结论。

改进的精化Cayley-Arnoldi算法计算电力系统关键特征值

在用于电力系统关键特征值计算的精化Cayley-Arnoldi算法中,采用精化Ritz对替代原来的Ritz对,从而形成改进型算法。由于精化Ritz向量包含更多的子空间信息,精化Ritz值更接近其最终收敛的Ritz值,改进后的算法更有利于迭代计算的收敛;精化Ritz对能够廉价可靠地求得,计算时间增加有限。算例分析表明,仅需1次Cayley变换即可把复平面特定区域内的特征值转换为主特征值,并能明显区分相近特征值,验证了所提出算法的计算速度和收敛特性。

使用双边Jacobi-Davidson计算大规模电力系统关键模态

介绍了求取大规模电力系统关键模态的双边Jacobi-Davidson(TSJD)方法。该方法具有灵活的特征值选择策略,而且在求得特征值的同时可以收敛到其左右特征向量,从而能够直接分析所关心的模态。文中给出了该算法的计算流程,以及提高算法计算效率的措施。最后采用2 940阶和29 548阶电力系统状态矩阵对该方法进行测试。测试结果表明该方法是高效和可靠的,可以用于实际大规模系统的关键模态计算。

双馈风电场经LCC-HVDC送出的次同步振荡特性研究

双馈风电场经柔性直流输电并网或经串补线路送出时均发生过次同步振荡(subsynchronous oscillation,SSO),而双馈风电场经电网换相高压直流输电(line-commutatedconverter based high voltage direct current,LCC-HVDC)送出时是否会出现SSO尚不明确,亟需开展相关研究。该文采用模块化建模方法建立研究系统的小信号模型,并将其与PSCAD/EMTDC中的电磁暂态模型进行阶跃响应对比,验证小信号模型的正确性。然后,通过特征值分析及参与因子分析研究双馈风电场和LCC-HVDC间的相互作用,并分析系统参数改变对稳定性的影响。结果显示,不存在双馈风电场和LCC-HVDC的状态变量共同参与的振荡模式,表明双馈风电场和LCC-HVDC间的相互作用不明显,不会由此导致SSO;当并网风电机组台数或输电线路长度增加时,发电机模式阻尼增强,锁相环-直流电压外环模式阻尼减弱。