面向系统电压动力学演化过程分析的电力电子并网设备内电势幅值运动机制研究

系统电压和频率演化机制认识一直是开展电力系统稳定、控制和保护等研究的重要基础。针对系统频率演化问题,已有研究以转子运动方程所刻画的内电势频率运动机制为核心形成了频率同步过程的直观认识。而针对系统电压演化问题,由于不明确驱使内电势幅值运动的激励力和支撑内电势幅值运动的物质特性,没有形成与内电势频率运动机制相对应的内电势幅值运动机制认识,更未能结合网络特性开展物理概念明确的电压动力学演化过程研究。随着电力电子设备持续大规模并网,电压问题愈加凸显,亟需更加深入地认识系统电压演化过程。因此,文中首先从设备调节内电势幅值/频率的基本原理出发,明确无功不平衡是驱使内电势幅值运动的主要激励力,并以双馈风机(doubly-fedinduction generator-based wind turbine,DFIG-based WT)为例构建无功/端电压不同控制目标下内电势幅值/频率响应模型。然后,基于三相系统动态过程中无功功率的物理内涵,建立支撑内电势幅值运动的无功不平衡存储特性的直观认识,从而通过类比频率运动机制,指出内电势幅值是反映无功不平衡存储水平的状态。最后,在含DFIG-basedWT单机系统中分析考虑不同控制目标时的电压动力学演化过程,并初步探讨多机系统电压动力学演化过程的研究思路。

锁相环对锁相环型并网变换器有功/无功电流激励-内电势幅值/频率响应关系的影响机制研究

新能源发电大规模接入电力系统使其出现了区别于传统电力系统的电流控制时间尺度的电压/频率动态现象。系统安全稳定运行所需的相对稳定的电压/频率水平与功率传输水平要求变换器并网设备具备基于端口功率调节内电势幅值/频率的机制。电网端电压状态检测的锁相控制方式复杂化了该调节机制,并为理解系统电压/频率动态过程机理带来障碍。然而,现有研究多直接基于物理连接关系对锁相环型并网设备进行数学描述,未能意识到功率激励-内电势幅值/频率响应关系是设备在系统动态过程中角色的一般化描述,更未能建立锁相控制方式对此激励–响应关系的影响机制认识。为此,文中以锁相环型并网变换器电流控制时间尺度为对象,基于其在系统闭环因果动态过程中行为的认识揭示设备内电势幅值/频率独立受有功/无功电流调节的机制。然后,基于不平衡有功/无功电流及其独立决定的锁相误差分别经电流控制器与锁相环共同建立内电势矢量过程的认识,阐明内电势矢量旋转运动的形成机制与内电势频率调节的锁相影响机制。最后,进一步初步说明变换器设备在系统电流控制时间尺度频率动态过程中的角色。

基于直流内电势控制的MMC多端直流输电系统最优下垂控制

基于模块化多电平换流器(MMC)的直流内电势直接控制方法提出了一种新型的MMC多端直流输电系统下垂控制策略。该控制策略在直流电压控制站实现直流内电势-直流电流的下垂特性,并在功率控制站实现对直流电流和电容电压的闭环控制。基于对频域响应特性的分析给出了该控制策略的优化控制参数设计方法。仿真证明了所提控制策略的可行性和有效性。

发电机内电势相角与功角的测量方法及应用

传统的发电机内电势与功角通过实时测量发电机端电压电流以及发电机直轴电抗Xd和交轴电抗Xq计算得到.由于发电机在不同运行状态下Xd,Xq发生变化,产生计算误差.为此,提出一种转子位置测量法,利用发电机组的键相脉冲信号和机端电压来测量发电机内电势相角与功角.该方法不受发电机等效计算模型和同步电抗参数误差的影响,具有较高的精度,适用于电网扰动和暂态过程的实时功角测量.

细胞膜外电势高于膜内电势的理论解释

运用热力学原理，从理论上解释细胞膜外电势高于膜内电势的现象，并经过对细胞膜电势的测定得以证实．

同步发电机绝对内电势角测量方法研究

传统的功角测量方法因机端电压过零整形而引入误差,影响了相对内电势角测量的精度。介绍了绝对内电势角的定义,并提出一种测量绝对内电势角,进而获得高精度的相对内电势角的方法。提出的方法不使用机端电压过零整形脉冲,而是与等间隔分频GPS秒脉冲得到的定时脉冲比相,因此,完全不受发电机所处的运行状态的影响,能够在各种运行方式和扰动情况下获取高精度的绝对转子角。

半导体气敏元件内电势对测量的影响

本文报道了半导体气敏元件的内电势是引起测试中反常现象的原因。然后分析了内电势对元件测量的影响,并提出了消除内电势造成的测量误差的有效方法。

静止坐标系下变换器电流平衡–内电势运动模型:一种装备电流控制尺度物理化建模方法

随着可再生能源与柔性交、直流输电在电力系统中的广泛应用,电力电子变换器的状态运动对所接入系统的电流控制时间尺度动态行为影响日益突出。为揭示电流控制时间尺度下并网变换器在系统动态过程中的装备状态运动规律,提出了一种基于输入/输出电流平衡–内电势运动的装备物理化建模方法。以电压源型变换器(voltage source converter,VSC)为例,推导了静止坐标系下VSC的电流平衡–内电势运动模型。通过对模型变量间物理关系的分析及其物理化描述,可有助于把握装备电流控制时间尺度动态特性及特性对系统动态稳定的影响。基于Matlab/Simulink的时域仿真与样机实验结果验证了模型的准确性和分析的有效性。

电力系统机电动态过程中时变幅频内电势激励下的功率特性

机电动态过程中,伴随着励磁及转子转速的变化,电力系统各台发电机内电势节点幅值和频率均为时变量。建立各台发电机输出的功率与各内电势节点状态的解析化关系(即电力系统的功率特性方程),是分析大系统机电动态过程及其稳定性的基础。目前相关研究大多是基于相量来描述内电势进而建立与功率的关系,因为受到"准稳态"假定的限制,所以不能反映出各内电势节点的频率这一状态的变化对发电机输出功率变化的影响。针对这一问题,该文基于瞬时幅值和瞬时频率描述内电势,根据线路电感元件的时域积分方程首先刻画功率与内电势节点状态的原始解析关系;然后,通过对原始关系进行适当简化,在两机系统中建立用于机电动态过程研究的功率特性方程。该方程能反映出系统中各内电势节点的幅值及频率等状态的变化对发电机输出功率变化的影响,不受"准稳态"假定束缚,并且数学形式简洁,具有工程实用价值。最后,在Matlab/Simulink中验证了所建功率特性方程的有效性,并讨论了拓展至多机系统的基本思路。

计及磁饱和的同步发电机内电势幅值测量方法

在直接测量转子位置获取同步发电机内电势相位的基础上,给出了同步发电机内电势幅值的准确直接计算方法,该方法的准确性只依赖于机端电压、机端电流、发电机功角等电气测量结果的准确性,与同步发电机参数无关。同时,基于内电势幅值和相位的准确测量,给出了能够计及磁路饱和影响的同步发电机定子与转子间互感电抗和同步电抗的计算方法,并基于正态分布参数估计理论,给出电抗计算结果的置信区间和点估计值,实际算例表明,所述方法准确可靠。

适用于多端口模块化多电平交直流变换器的分段变步长模型预测控制策略

传统模型预测控制存在计算量大及权重因子整定困难等问题,并且对于多端口模块化多电平交直流混合变换器(multi-port modular multilevel AC/DC hybrid converter, MP-M2ADHC)适用性不足。首先利用桥臂内电势等效原理分析了MP-M2ADHC的交直流耦合特性及内部功率平衡约束,并提出了分段变步长模型预测控制(piecewise variable step-size model predictive control, PVS-MPC)策略。通过多个寻优环节,在不同时间尺度下寻求最佳开关状态使得系统预测值与期望值的误差最小,实现了对多个控制目标单独控制。为满足预测模型精确离散化需求,进一步提出采用改进欧拉法对系统反馈值进行优化与校正,从而显著提高预测精度。最后,通过对变换器不同模式下功率双向传输的时域仿真,从输出电流跟踪、环流抑制及谐波含量等方面与传统模型预测控制进行对比,验证了所提控制策略与优化校正策略的可行性和有效性。

基于内电势的双馈风机机电时间尺度模型研究

参照同步机内电势概念,建立了基于内电势的双馈风机机电时间尺度模型。首先,对双馈风机及其控制系统进行了功能模块划分,并给出了部分模块的基本数学模型。然后,推导并定义了双馈风机定子侧、网侧变流器的内电势,把同步发电机内电势的概念移植到风机中。在此过程中,忽略了一些响应较快的环路动态以集中体现在较长时间尺度上风机的动态特性。仿真结果表明,该模型能有效地反映风机在机电时间尺度上的响应,并形象地表现出内电势的动态。

基于时变幅频“相量”序列的交流电力系统电感元件端口电流及功率分析

在实际交流系统中,伴随励磁及转子转速的变化,各台发电机内电势节点的幅值/频率为时变量。相量法作为分析正弦稳态电路的经典方法,已在电力系统分析中得到广泛的应用。该文针对交流输电线中的电感元件,根据其各相电压/电流瞬时值之间的时域积分关系,首先得到输电线端口的有功/无功功率与内电势幅值/频率状态之间的无穷项级数原始数学关系,进而基于该原始关系,提出时变幅频“相量”序列的新概念,对端口电流及功率的形成机制与影响因素进行分析和探讨。所提出的新概念可以把传统正弦稳态电路分析的相量法拓展至交流电力系统的动态过程,同时,利用“相量图”的几何化描述手段。该方法也为工程上简化与利用交流输电线端口功率与内电势的原始数学关系提供了一定参考。最后时域仿真验证了方法及结论的有效性。

基于等效功角同调的双馈风电场等值建模

首先以双馈风机数学模型为基础,推导了双馈风机电磁功率的表达式,分析了影响双馈风机电磁功率的相关因素,说明了以等效功角作为双馈风机同调识别观察量的合理性,即等效功角可表征不同工况及控制方式下双馈风机的动态特性,并定义了基于等效功角的双馈风机同调判断准则。其次,根据双馈风机的外特性,提出了功率聚合算法,即以双馈风机输出有功功率为权重求取等值机的等效内电势并确定等值母线及等值机参数;该方法有效解决聚类分群的复杂性和局限性,并提出了适合同调双馈机群母线化简方法。最后以实际南方电网中某地区风电场为例的仿真验证了所提模型具有合理性,聚合精度较高。

电力系统中变换器电流时间尺度动态过程分析的幅值/频率调制方法

电压源型变换器(voltage source converter,VSC)大规模应用所引起的不同频率振荡给电力系统电流时间尺度电压幅值/频率动态带来了巨大影响。然而现有的研究没能认识到上述系统动态过程本质为内电势幅值/频率调制的过程,相关的基于内电势幅值/频率调制的VSC电流时间尺度系统动态过程分析的研究尚未开展。为此,该文提出适用于VSC电流时间尺度系统动态过程分析的幅值/频率调制方法。首先,介绍VSC多机系统模型结构及系统动态过程的内电势幅值/频率调制本质,澄清了当前普遍存在的对VSC动态过程本质为谐波动态过程的误解。然后,结合时域仿真讨论网络和VSC原始数学模型及线性化的基本挑战。最后,所提出的方法不仅能直观地分析由装备和网络所形成的内电势幅值/频率调制和有功/无功功率调制间的因果循环关系及演化规律,还能统一归纳多样化装备和网络对电力系统所关注目标–电压幅值/频率动态的影响。

电力电子化并网设备激励下网络不对称故障分析的时变幅频对称分量法

随着电力电子化并网设备的大规模应用,电力电子化并网设备激励下的网络故障特征与传统同步发电机激励下的网络故障特征迥异,给电力电子化电力系统故障分析尤其是网络不对称故障分析带来了新的挑战。然而现有的故障分析没有充分认识到网络激励电压的时变幅频特征,更没有认识到网络故障点电压/电流的时变幅频本质,相关的时变幅频内电势激励下网络不对称故障分析的方法缺失。为此,该文提出电力电子化并网设备激励下网络不对称故障分析的时变幅頻对称分量法。首先,说明多样化设备内电势的时变幅频本质;然后,指出故障过程中网络电压/电流是由故障边界条件约束的时变幅频内电势激励下的非齐次线性微分方程组的解,并结合非齐次线性微分方程组解的形式和时域仿真说明时变幅频内电势激励下网络电压/电流的时变幅频本质;最后,提出电力电子化并网设备激励下网络不对称故障分析的时变幅频对称分量法,并结合仿真进行验证。所提的时变幅频对称分量法可用于电力电子化并网设备激励下的网络不对称故障分析,为电力电子化电力系统中电气设备设计与选型、继电保护装置配置与参数整定以及事故分析提供重要的理论依据。

双输入电力系统稳定器实现方法探讨

介绍了双输入电力系统稳定器(PSS)的模型和工作原理,在此基础上介绍了获取双输入PSS信号ω的硬件方法和软件方法,并对不同的实现方法进行了比较,认为软件方法灵活,容易在不同的机组上采用;同时指出,在进行PSS双输入模型参数设置时应注意交轴电抗的选择,为从事励磁PSS研究的人员提供参考。

锁相同步型风机–同步机互联电力系统转子转速尺度暂态同步稳定性分析

为实现"碳达峰、碳中和",我国将构建以新能源为主体的新型电力系统,风机将逐步替代同步机成为未来电力系统中的主力电源。迥异于由转子运动方程决定的同步发电机,风机暂态特性由其控制策略决定。这使得系统的同步过程由"物理主导同步"逐渐演变为"控制主导同步",导致电力系统暂态同步机制和稳定问题更为复杂。目前研究多采用数值仿真手段分析风机对同步机相对功角暂态稳定性的影响,对风机与同步机的暂态同步过程以及可能出现的暂态稳定问题认识尚不清晰。文中梳理以风电为主体的电力系统与传统电力系统暂态同步稳定问题的异同,并深入研究基于锁相同步的风电与同步机互联系统的同步过程。接着,以内电势为视角,分析不同控制方式下风机与同步机的转子转速尺度(秒级,与同步机机电尺度对应)暂态同步稳定性及失稳机理。结果表明,风机锁相同步机制会带来额外相位约束,并引发相位慢–快尺度单调失稳新现象;风机坐标变换会导致幅值/相位在装备内部产生耦合,并成为系统幅值–相位联合暂态失稳的新诱因。

虚拟同步双馈风机对同步机作用路径及低频振荡影响分析

针对具有虚拟同步控制的双馈感应发电机机对系统低频振荡产生影响的问题,基于虚拟同步双馈风机的内电势运动方程,通过建立两机系统的线性化模型,分析了虚拟同步双馈风机对同步机作用的路径和物理过程,并采用阻尼转矩法阐明了虚拟同步双馈风机对同步机低频振荡的影响机理,最后进行了仿真验证。仿真结果表明:虚拟同步双馈风机内电势的相位受同步机内电势相位和幅值的变化而变化,继而直接影响同步机有功功率,或通过影响同步机端电压幅值变化的支路间接影响同步机有功功率,它们是虚拟同步双馈风机影响同步机阻尼的主要途径,此外,增大虚拟惯性时间常数和阻尼系数可以改善同步机低频振荡的阻尼,而增大电压控制带宽则会使同步机低频振荡的阻尼恶化。

含阻尼环节的电流源型风电虚拟同步发电机控制与分析

针对高比例风电电力系统频率/电压稳定性问题,介绍了虚拟同步控制的理论基础,对比分析了双馈风电机组与传统同步机数学模型。基于模型相似性推导了风电机组虚拟同步发电机的内电势、功角及功率传输方程,并揭示了其变化规律。研究了一种含阻尼环节的电流源型风电机组虚拟同步控制策略,并进行了虚拟同步控制外环和电流控制内环设计。在Matlab/Simulink中建立了双馈风电机组虚拟同步发电机仿真模型,实现了虚拟同步发电机惯量、阻尼、一次调频和无功调压特性的全过程模拟。仿真结果证实了理论分析的正确性与控制策略的有效性。