基于谐波状态空间的车网耦合系统小信号阻抗建模和稳定性分析

随着我国电气化高速铁路的快速发展,电气化铁路网运行的动车组数量大幅增加。高密度运行的动车组可能会引发车网耦合系统的低频振荡(low-frequency oscillations,LFOs),严重影响轨道交通运输的正常进行。该文针对具有复杂电力电子结构特性的单相车网耦合系统,尝试将谐波状态空间方法(harmonic state-space,HSS)应用于车网耦合系统的小信号阻抗建模。首先推导了车网耦合系统的基于谐波状态空间HSS的小信号阻抗模型,分别通过Matlab/Simulink仿真平台与StarSim半实物平台验证了此模型的精确性;基于所搭建的模型,采用阻抗稳定性分析方法,成功地分析了多车并网引起车网耦合系统低频振荡的机理;最后分别定量研究了电力机车接入的数目和网侧感抗值对车网耦合系统稳定性的影响规律。理论分析和半实物结果表明,该建模方法可以实现简单且精确的车网耦合系统稳定性分析。

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。

飞机变频电力系统PWM整流器输出阻抗研究

PWM整流器是飞机变频电力系统中重要的功率变换设备,研究其输出阻抗特性与飞机变频电力系统直流环稳定性的关系具有重要意义。针对三相升压型PWM整流器,建立开环/闭环输出阻抗表达式,通过理论计算分析和仿真测试,研究了影响PWM整流器输出阻抗的参数,如供电电源频率、负载、输入电感、输出电容和控制带宽,由此得出改善整流器输出特性的方法。仿真结果表明,在控制带宽内,整流器输出阻抗主要决定于控制参数,在控制带宽外,输出阻抗主要决定于直流侧电容等无源器件,而供电电源频率和输入端电感对输出阻抗影响很小。根据阻抗特性的方法设计整流器的控制系统,有效优化整流器的性能和分析整流器带DC/DC变换器或电动机控制器等级联系统直流环的稳定性。

基于非交叉反馈虚拟阻抗的并网变流器低频振荡抑制方法

随着新能源的大规模并网,低频振荡问题更趋复杂。针对该问题,以新能源并网系统中核心电力电子设备并网变流器为研究对象,简要给出了单电流环和直流电压外环交流电流内环双环控制模式下并网变流器低频振荡机理,得到引发低频振荡的关键因素。由此提出了一种非交叉反馈虚拟阻抗与无限脉冲响应(infinite impulse response, IIR)滤波器相结合的并网变流器低频振荡抑制方法,详细分析了虚拟阻抗及IIR滤波器对系统动、稳态性能的影响,其中,虚拟阻抗的引入可有效抑制低频振荡,但对系统动态性能造成不利影响;而IIR滤波器的引入,可有效提高系统控制带宽,改善系统动态性能。最后,仿真和实验结果表明所提方法在基本不影响原有动、稳态性能的同时能够快速有效抑制低频振荡。

孤岛微电网序阻抗建模与高频振荡抑制

孤岛微电网无大电网支撑,源-荷电力电子装备间强交互耦合,易发生高频振荡等稳定性问题。对此,提出了一种离网源脉宽调制(PWM)逆变器的阻抗重构控制方法,可提高离网源PWM逆变器的输出序阻抗在高频处的相位,增加系统阻尼,能有效抑制系统高频振荡。采用谐波线性化方法,建立离网源PWM逆变器的小信号宽频带正、负序阻抗模型。为了进一步分析孤岛系统的源-荷交互稳定性,建立负荷PWM整流器的正、负序阻抗模型。然后,根据所建宽频带正、负序阻抗模型和Nyquist稳定性判据分析了控制方法、负荷类型、负荷功率大小对孤岛微电网系统稳定性的影响,揭示了孤岛微电网中源PWM逆变器与负荷PWM整流器型负荷交互发生高频振荡的本质原因:在高频处孤岛逆变器的输出阻抗具有负电阻值容性阻抗特性,而PWM整流器型负荷的输入阻抗为感性,导致系统阻抗比不满足稳定判据。所提阻抗重构控制方法,通过增加电压反馈支路,以改善孤岛逆变器在高频处的相位特性,增加系统阻尼,提高系统稳定性。最后,实验验证了本文分析的正确性。

车网耦合下的牵引供电系统谐振不稳定机理分析

在国内电气化铁路的现场测试中发现了1种有别于谐波谐振现象的新型谐振不稳定问题,该文围绕高速列车与牵引供电网(以下简称车网)耦合系统中谐振不稳定问题的产生机理及影响规律进行了分析。采用阻抗分析法,建立了dq参考坐标系下小信号车、网阻抗传递函数模型;基于广义奈奎期特(Nyquist)判据,探寻了谐振不稳定现象的发生机理;分析了列车四象限整流器控制参数与牵引供电网参数对谐振不稳定的影响规律。仿真与实验结果表明,列车控制系统中电流环和锁相环的比例增益,以及牵引供电网等效电感等参数对谐振不稳定最为灵敏,因此在机车控制参数优化以及新建轨道线路设计时需重点考虑,这可为抑制谐振不稳定问题提供参考。

基于盖尔圆定理的三相并网逆变器系统稳定判据及稳定性分析

随着愈来愈多的并网逆变器接入电网,逆变器与电网之间的阻抗交互作用对系统的稳定可靠运行是一个潜在威胁。为此,开展对并网逆变器接入电网的稳定性研究具有重要的意义。建立了在dq坐标系下的三相LCL型并网逆变器小信号阻抗模型。该模型考虑了锁相环和电流环补偿因素对逆变器阻抗特性的影响,提高了模型的精度。在此基础上,对系统的稳定性进行理论分析,系统的稳定性判定具有重要的工程指导意义。为解决传统广义Nyquist稳定判据所需计算量较大、使用困难的问题,提出了一种基于盖尔圆定理的系统稳定性判据,在保证系统稳定的同时大幅降低了计算量,可以作为一种实用的系统稳定区域估算方法。仿真和实验结果与理论分析一致,验证了所提方法的正确性。

太阳能电池的动态模型和动态特性

太阳能电池的动态模型和动态特性对研究光伏发电系统的稳定性至关重要。该文从硅太阳能电池的物理模型出发,求解出太阳能电池的稳态、动态特性解析表达式;就此得出计及引线电感的太阳能电池动态电路模型;推导出太阳能电池的动态电阻、结电容、小信号输出阻抗的精确表达式,并对不同光照、不同输出电压下的小信号输出阻抗进行仿真研究;最后构建了基于LED灯和超级电容的太阳能电池动态实验平台,对光照突变时太阳能电池的短路电流响应以及电压突变时太阳能电池的暗电流响应进行了实验验证,并给出了太阳能电池少数载流子寿命的简便测量方法。

海上MVDC供电系统的正阻尼重构稳定控制策略

向海上特殊装备供电的MVDC系统的直流侧容易引起高频振荡,甚至导致系统不稳定。为此,引入直流微网中针对整流器的虚拟电阻稳定控制策略,希望抑制MVDC供电系统的直流侧振荡,且不影响逆变站的负载性能。然而,研究发现该方法在低开关频率模式下将导致系统稳定性恶化。根本原因为系统高频振荡尖峰点可能会跃过整流站的低控制带宽并落入负阻尼区域,使得系统稳定性对直流电缆变化的鲁棒性较差。针对该问题,提出海上MVDC供电系统的正阻尼重构稳定控制策略,使得系统在实际振荡频率区间内保持较大的正阻尼,且不受直流电缆变化的影响,从而有效抑制了海上MVDC供电系统在低开关频率模式下的直流侧振荡。最后,实验验证了所提出的控制策略和分析结果的正确性。

逆变站动态特性对直流传输容量的影响分析

在柔性直流输电VSC-HVDC系统中,直流电压的稳定和直流传输容量对系统而言尤为重要。本文通过对VSC-HVDC受端系统进行小信号阻抗建模,研究了逆变站响应时间常数对直流系统小干扰稳定性的影响,得到了响应时间常数与直流传输容量之间的关系。采用PSCAD/EMTDC软件搭建柔性直流输电系统仿真模型,仿真结果表明,VSC-HVDC系统中逆变站的响应时间常数与直流传输容量呈正相关,传输容量越大负荷恢复越快。

大型接地网分流系数准确测量及抗干扰措施研究

大型接地网由于进线回数较多,进行接地阻抗测量时必须更加考虑分流系数的影响。通过大量的实测研究,提出了大型接地网分流系数的准确测量方法和注意事项。并研究了不同强度背景干扰下分流小电流信号测试时提高信噪比的方法,提出了有针对性的抗干扰措施:提供基准相位的无线选频通讯仪应布置在变电站中央空旷地带,且不宜靠近变压器器身、干式电抗器等强辐射源,以免受强电场干扰影响无线信号传输质量;测量电缆屏蔽层的分流大小时,应同一回进线的三相同时测量,这样可以减小工频干扰的影响;一般情况下,与避雷线相连的出线龙门架有多根入地钢架或水泥杆,应每个引下杆均分别测量,而不是仅仅测量有接地引下线的杆,以免造成分流的漏测。并现场验证了新方法的准确性。