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。

基于自适应虚拟电阻的低压微电网有功均分下垂控制策略

由于低压微电网中各分布式电源的线路阻抗不匹配,传统的下垂控制策略难以按照下垂系数合理分配有功功率。为此,提出一种无需通信的自适应虚拟电阻下垂控制方法。通过将微电网中每个分布式发电机(DG)单元输出的有功功率和电压传送给自适应虚拟电阻控制器中,在保证电压和频率稳定控制的前提下实现功率按逆变器容量比例进行精确分配。论文对改进方法的微电网逆变器进行小信号稳定性分析,以优化控制器有关控制参数。仿真和实验结果验证了所提控制方法的有效性。

基于超前滞后环节附加前馈阻尼的VSG控制策略

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)在引入同步机二阶转子运动方程,增大电力系统等效惯量的同时,也引入了同步发电机的振荡特性,有功低频振荡等动态稳定性问题也随之而来。引入调速侧电力系统稳定器(governor power system stabilizer,GPSS)能有效抑制VSG的功率低频振荡,但其在超调量及调节时间方面的控制效果仍有待提高。通过建立VSG的小信号模型从极点配置角度分析其稳定性,揭示基于GPSS的VSG控制策略在功率动态响应上存在较高超调和较长调节时间的原因。基于此,参考GPSS控制思想,提出了一种基于超前滞后环节附加前馈阻尼补偿的虚拟同步发电机控制策略。并从理论上分析验证了所提控制策略在不影响系统稳态特性的前提下,能够提供调整自由度更高的正阻尼,在有效地抑制功率超调的同时提高了系统的调节速度,从而更好地抑制了有功功率的低频振荡。最后通过MATLAB/Simulink进行对比仿真,仿真结果与理论分析结果一致,证明了所提控制策略的正确性和有效性。

高速低载频比传感信号下的逆变器有源阻尼自适应控制

逆变器工作在高频运行和控制载波比低的情况下,存在谐振尖峰抑制,提出了高速低载频比传感信号下的逆变器有源阻尼自适应控制技术。在高速低载频比传感信号下,构建逆变器数学模型。输出电流到电容电压与定子电流之间的传递函数,将逆变器的有源阻尼等效成一个控制电压环。调整有源阻尼自适应控制回路的参数,制定逆变器有源阻尼自适应控制策略。实验结果表明:文中技术的稳定裕度由2.46 dB下降至1.18 dB,可以保证逆变器的稳定运行;在不同采样频率下,可以控制逆变器输出与电网电压相同相位和频率的并网电流,其中在采样频率为5.9f时,输出并网电流和电压均表现为正弦状态,波动范围分别为[35 A,58 A]和[185 V,225 V],具有较好的控制效果。

变流器虚拟惯量和阻尼协同自适应控制策略

针对变流器传统虚拟同步发电机控制(virtual synchronous generator,VSG)在暂态过程中出现的频率超调等问题,提出一种虚拟惯量和阻尼系数协同自适应控制策略。首先,对VSG变流器系统进行数学建模;然后,通过分析VSG有功和角频率暂态特性曲线,提出一种虚拟惯量和阻尼系数协同自适应控制策略,同时借鉴传统同步发电机小信号模型分析方法建立有功功率环路传递函数,给出参数的选取范围;最后,基于MATLAB/Simulink仿真,验证了所提自适应控制策略在改善频率和功率暂态特性方面的有效性。

ZVT-PWM Buck变换器的小信号建模及数字控制

首先介绍了零电压转换-脉宽调制(ZVT-PWM)Buck变换器的工作原理。接着采用等效可控源平均法推导出了变换器的小信号模型以及传递函数的表达式。对小信号模型分析表明,ZVT-PWM Buck变换器比传统Buck变换器的瞬态响应特性更好。然后依据该小信号模型,设计了数字控制器的参数。最后对原理样机进行测试,实测的功率级传递函数验证了小信号模型的正确性,闭环下的负载瞬态响应测试过冲电压为410mV,恢复时间为150μs,优于传统Buck变换器的负载瞬态响应特性。

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。

超导磁储能装置提高柔性直流配电系统稳定性的研究

柔性直流配电系统中定功率控制的换流器具有恒功率负载特性,会降低系统阻尼,对系统的稳定性产生不利影响。针对该问题,在直流配电系统中加入超导磁储能SMES(superconducting magnetic energy storage)装置来提高系统的稳定性。推导了柔性直流配电系统的反馈控制模型,采用频域分析法研究了换流器恒功率负载特性对系统稳定性的影响,并结合数学模型和频域分析,指出SMES装置能够为电网提供正阻尼,增大了系统开环传递函数在剪切频率处的相位裕度,从而改善了系统稳定性。为防止超导磁体两端电压过高,SMES装置与直流配电网连接的DC/DC换流器需具备一定的电压调节性能,因此研究了采用模块化多电平DC/DC换流器DC-MMC(modular multilevel DC/DC converter)的SMES装置,通过调节子模块个数灵活设置换流器电压变比,在实现换流器能量双向流动的同时控制超导磁体两端电压,以保护储能装置。最后通过时域仿真波形验证了采用DC-MMC的SMES装置在提高柔性直流配电系统稳定性方面的可行性和有效性。

SWISS整流器分数阶PID控制策略

针对SWISS整流器的传统整数阶PID控制策略动态响应速度较慢、鲁棒性较差的问题,提出一种基于分数阶PID的SWISS整流器控制策略。基于SWISS整流器的工作原理建立其小信号模型,得到SWISS整流器的等效传递函数,并设计基于分数阶PID电压控制的双闭环控制结构。为简化分数阶PID的阶次参数设计,采用整数阶PID参数预整定的方法得到参数初值,并利用粒子群算法对分数阶PID控制器参数进行进一步设计优化。仿真和实验结果表明,分数阶PID控制策略下的SWISS整流器发生参考电压突变时电压稳定时间小于7 ms、超调量小于2%,发生负载扰动时电压稳定时间小于4 ms、超调量小于3%,动态性能优于整数阶PID控制策略。

独立充放时序SIDO开关变换器电流型变频控制技术

单电感双输出(single-inductor dual-output,SIDO)开关变换器工作在共享充放时序下存在电感电流纹波大、输出支路间交叉影响严重以及电路参数宽范围变化下控制电路不能正常工作等问题.为此,提出一种独立充放时序电流型变频控制(current-mode variable frequency control,C-VF)技术.首先,具体描述变换器在连续导电模式(continuous conduction mode,CCM)下的工作原理,并推导主电路开环传递函数;进一步构建闭环小信号模型,推导闭环交叉阻抗,详细分析不同输出电压及负载电流下变换器的交叉影响特性;最后,通过仿真和实验进行验证.研究表明:相较于共享充放时序,独立充放时序C-VF CCM SIDO buck变换器减小了交叉影响,改善了负载瞬态响应性能;当两支路负载电压不等时,减轻某一支路负载可以降低该支路的交叉影响;当两支路输出电压相同但负载不同时,重载支路对轻载支路的交叉影响更小.

Coordination of PSS and FACTS Damping Controllers to Improve Small Signal Stability of Large-scale Power Systems

This paper presents an approach for designing parameters of power system stabilizer(PSS)and FACTS damping controllers in a large scale practical power system.The objective is maximizing damping ratio of the target mode,and tracking technology(MTT)is used to avoid frequent alternations of target mode in optimization procedures.An improved planted growth simulation algorithm(IPGSA),which has high search efficiency and quick convergence speed,is proposed to optimize controller parameters coordinately.Based on case study of a large-scale power grid,and by using local and interregional low-frequency oscillation modes as target modes,simulation results verify proposed method in this paper.Furthermore,coordination optimization strategy adapted to multi-operating conditions demonstrates that the proposed approach is robust.

风电机组附加有功控制参数对系统低频振荡的影响

附加有功控制环节使风机参与至同步机的机电振荡模式中,这使得系统功率振荡特性机理更加复杂,不利于附加有功控制环节的参数设计。为了研究风机附加有功控制对系统稳定性的影响,首先建立了考虑锁相环特性的风机与同步机动态作用的小信号模型;然后基于该模型利用阻尼转矩法分析了风机附加有功控制对系统振荡稳定性的影响机理,并提出了综合考虑系统等效惯性时间常数和阻尼比的附加有功控制环节系数设计方法;最后通过“10机39节点系统”的仿真结果量化分析了各系数对系统低频振荡稳定性的影响规律。结果表明,合理设置风电机组附加有功功率控制系数、滤波时间系数和锁相环带宽均能提升系统频率稳定性;理论分析的正确性也得到了验证。

构网型直驱风机的小信号建模及动态频率支撑策略

针对传统构网型直驱风机在大扰动下的频率和功率振荡较大的问题,提出一种动态频率支撑策略。首先对构网型直驱风机进行了详细的小信号建模。其次,通过主导特征根轨迹分析有功频率控制以及交流电压控制环节中参数对频率变化特性的影响,进而提出一种灵活改变控制参数的动态频率支撑策略。最后,在Matlab/Simulink仿真平台上搭建仿真模型,验证了小信号建模的正确性和所提策略的有效性,表明所提策略能有效减小动态过程中的频率和功率振荡。

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。

双馈虚拟同步机快速励磁控制和功角补偿策略

针对以激磁电势为目标控制电压的双馈虚拟同步发电机策略下运行功角大而带来的功率耦合问题,提出采用快速励磁控制消除功角扰动对无功控制的影响,采用功角补偿消除激磁电势扰动对功角有功控制的影响的功率解耦方案。在分析双馈电机数学模型及双馈虚拟同步机整体控制策略的基础上,构建计及无功控制环节的双馈虚拟同步机小信号模型。通过分析无功环节PI控制器参数对功角稳定性的影响,设计快速励磁控制策略。通过分析无功扰动与功角变化的关系,确定功角补偿传递函数。设定风速扰动、电网频率扰动和电网电压扰动3种不同工况进行验证。结果表明:所提控制策略可有效避免双馈虚拟同步机大功角运行时有功功率控制和无功功率控制间的相互影响,实现功率解耦。

弱电网APF系统稳定性分析及有源阻尼方法

有源电力滤波器(APF)被广泛应用于电力系统谐波的动态补偿。然而在弱电网条件下,APF、非线性负载与电网线路阻抗间的交互容易引发补偿频率附近谐波振荡的稳定性问题,导致APF谐波补偿失效,系统的电能质量进一步恶化。通过对APF系统环路的小信号建模,揭示了弱电网APF系统的谐波振荡机理,并根据稳定性分析结论提出了一种基于电感电流反馈的有源阻尼方法抑制了这类谐波振荡,从而保证了APF在弱电网条件下稳定的谐波补偿能力。该方法的有效性经PLECS时域仿真及硬件平台实验得以验证。

一种基于小信号模型分析的水电机组参与电网一次调频方法

由于水电机组自身复杂的动态特性,导致高比例水电在参与电网调频过程中易产生超低频振荡,不利于电网安全稳定运行。为此,提出一种基于小信号建模分析的水电机组参与电网调频方法。首先,为体现更贴近实际工作状态的动态特性,基于小信号分析对水电机组参与电网调频进行模型构建;然后,考虑到小信号模型会反映系统诸如超低频振荡等危害的发生特征,进而突出系统的非线性,进行分数阶PID(FOPID)控制器设计调速系统;在此基础上,利用遗传算法以频率偏差最小为目标进行控制器参数优化,以进一步改善控制效果。仿真分析表明,所建水电机组小信号模型能够准确反映水轮机的动态特性,同时性能优越的FOPID控制器能有效地抑制超低频振荡。

表征柔性直流电网电压动态特性的降阶小扰动稳定模型

柔性直流技术是提高新能源渗透率,实现“双碳”目标的关键技术之一。低阶、准确的小扰动稳定模型有利于快速分析复杂柔性直流电网电压的超调振荡,为增强柔直系统安全稳定奠定基础。该文以表征直流电压动态特性为目标构建了直流电网降阶小扰动稳定模型。首先,建立直换流站直流侧阻抗模型的二阶解析式,把下垂外环控制参数等效为具有阻感特性的下垂导纳,并将不同控制模式下的柔直换流站以串并联阻抗电路形式统一表达;其次,基于直流网络拓扑聚合形成直流电网降阶传递函数阻抗矩阵,通过对降阶模型进行频率响应分析,定量探究多端柔直换流站通过直流网络耦合对直流电压动态特性产生的交互作用,指导下垂增益、外环控制系数等关键参数的选取;最后,在多场景电磁仿真中验证所述降阶模型的正确性与有效性。

非线性环路补偿的交错并联BUCK变换器数字控制策略研究

针对氢能燃料电池输出低电压、大电流,不能适用通讯基站电源的问题,设计了一种电力电子交错并联BUCK变换器,同时提出了一种非线性环路补偿的数字控制策略。文中采用两个BUCK电路并联,控制信号为180°两相交错脉冲宽度控制,采用小信号模型建立了电压环、电流环数学模型,控制策略采用电流内环、电压外环双闭环控制。为了控制快准稳,分别对两环路控制策略补偿校正设计,通过环路补偿数字控制策略搭建交错并联BUCK变换器simulink模型,仿真结果表明变换器在输入范围下实现了48 V直流稳定输出,验证了本研究的有效性。

考虑惯量增益与电网强度的VSC稳定性分析

在高比例新能源并网的背景下,电网的低惯量问题备受关注。虚拟惯量控制策略使得逆变器系统具备向电网提供惯量支撑的能力,然而其与控制环节与电网间存在耦合,对系统稳定性有一定影响。在目前的应用场景中,惯量增益和系统稳定的平衡点难以权衡。针对这一问题,首先根据系统主电路结构及相应控制策略建立采用虚拟惯量控制的并网VSC状态空间模型;其次利用特征根轨迹法及参与因子法对系统关键参数变化对系统稳定性的影响进行分析;最后在Matlab/Simulink中构建系统并进行仿真验证,进一步说明了模型的有效性和分析的正确性,为探索虚拟惯量控制的VSC系统适用场景做出了一定贡献。