含跟网和构网型新能源发电单元的混联电力系统暂态同步稳定分析

在新能源发电单元与同步发电机共同接入的混联电力系统中,不同同步方式新能源间,新能源与同步发电机间耦合复杂,深刻影响系统的暂态同步稳定性。为揭示电网对称短路故障下不同发电单元间的动态耦合机理及其对系统暂态同步稳定性的作用机制,该文首先建立故障条件下混联系统的暂态稳定分析数学模型。随后,利用空间矢量图示法与相平面法分析跟网型新能源发电单元注入电流、锁相环参数以及构网型新能源发电单元有功控制环参数等因素对混联系统内各发电单元暂态同步稳定性的影响规律,并据此给出系统控制器参数的设计原则。最后,通过不同工况下的仿真验证理论分析的正确性。

适用于构网型新能源发电系统的MCSPWM多电平逆变器

构网型新能源发电系统具备系统惯量支持和电压支撑的优势,可利用各种能源之间的互补性,提高能源利用率及系统稳定性。在该系统中,多电平逆变器发挥着重要作用。为此,提出一种新型的开关电容九电平逆变器及基于高频的多重载波正弦脉宽调制(multi-carrier sinusoidal pulse width modulation,MCSPWM)策略,该逆变器在开关数量、管压应力、升压能力和控制难度等方面具有优良的综合性能。该文分析了该逆变器的工作原理和抑制电容充电电流尖峰的方法,在软硬件设计的基础上,成功研制了新型开关电容九电平逆变器实验样机。样机实验结果证明,所提出的拓扑在高频调制策略下具有输出2倍升压、双向功率流的能力,开关电容可自动均压,开关管电压应力不超过输入直流源电压Uin,并且开关电容纹波电压的峰峰值小于2V。新型开关电容九电平逆变器,在构网型新能源发电系统中具有潜在的应用前景。

基于TCN的跟网/构网混合型新能源场站并网系统小干扰稳定性快速评估

为支撑跟网/构网混合型新能源场站中机组控制方式快速切换,实现可适应电网强度变化的新能源场站安全稳定运行,提出基于时间卷积神经网络(temporal convolutional network,TCN)的跟网/构网混合型新能源场站并网系统小干扰稳定性快速评估方法。首先,构建跟网/构网混合型新能源场站聚合阻抗模型,通过特征值计算得到并网系统小干扰稳定裕度。然后,以并网系统短路比和新能源场站跟网/构网控制方式信息作为输入特征,以并网系统小干扰稳定裕度和阻尼比作为输出特征,训练TCN得到混合型新能源场站并网系统小干扰稳定性快速评估模型。经过训练的模型可根据短路比和跟网/构网混合型新能源场站中各机组的控制方式快速输出对应的小干扰稳定裕度和阻尼比。最后,以一个含10台风电机组的新能源场站为对象进行算例分析。结果表明:所提TCN方法相比于长短期记忆神经网络方法,在小干扰稳定裕度和阻尼比预测上的平均绝对百分比误差分别降低16.76%、14.75%;所提方法的计算耗时相对于特征值计算方法降低98.54%,从而验证所提小干扰稳定性快速评估方法的准确性与时效性。

构网型无功补偿抑制新能源送端暂态过电压

电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)是新能源大规模并网、远距离外送的关键。而直流闭锁、换相失败等故障可能导致送端短时无功过剩并引发暂态过电压,危及运行安全。文中突破传统基于电压-电流级联控制的电流源外特性快速无功补偿装置的技术原理,提出一种应用构网型无功补偿装置(grid-forming based reactive power compensation device,GFM-RPC)抑制新能源送端暂态过电压的方法,构建基于微分-代数关系的电压动态分析模型,阐明GFM-RPC抑制暂态过电压机理,并分析GFM-RPC相比现有基于静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)抑制暂态过电压方法的优势。利用仿真验证GFM-RPC抑制新能源送端暂态过电压的效果,并分析主要参数对过电压抑制效果的影响。研究表明,STATCOM这类电流源外特性的无功补偿装置在直流输电系统故障瞬间呈现出恶化电压动态的“反调”特性,而GFM-RPC能够克服这种“反调”特性,并且通过合理的参数配置可以进一步抑制电压幅值的超调量。

构网型新能源场站环流产生机理研究

为分析构网型新能源场站间环流产生机理,采用2个构网型新能源场站并联输出低频交流电到二极管整流单元作为建模场景。首先分析环流表达式得到影响环流的电气参数,并将其划分为大信号环流和小信号环流。其中大信号环流包含电压幅值、相位以及输出阻抗不平衡3种场景,小信号包含载波相位、死区以及三相滤波电感不平衡3种场景。然后对6种场景下的环流进行数学分析以得到每种场景下环流特点,最后在Matlab/Simulink进行仿真实验验证理论分析中6种场景下的环流特点。

含构网型储能的沙戈荒新能源基地故障穿越策略

针对沙戈荒地区地理位置较偏远且网架结构薄弱,受变流器电流限幅与其控制回路暂态稳定性的影响,基地内构网型储能的暂态控制通常被切换为跟网控制策略,在缺乏电网强支撑的新能源基地内的风电、光伏和储能等电源极易因电压跌落而失稳,从而对整个基地故障穿越造成不利影响的问题,基于新能源基地变流器暂态控制方式的差异,分析得出,电网故障下跟网型新能源电源与构网型储能(故障期间仍为构网型控制)变流器控制失稳的关键因素为直流母线电压脉动和功角失稳等,并进一步推导了跟网型与构网型变流器在各自稳定运行范围内所能发出的最大无功功率计算表达式,提出了不同有功功率输出工况下风电场、光伏电站与储能系统的最大极限无功补偿的协同控制策略,以提升沙戈荒新能源基地故障穿越能力。最后基于PSCAD/EMTDC搭建沙戈荒新能源基地电磁暂态模型,验证了所提策略的有效性。

适用于频率和电压动态分析的构网型新能源场站聚合建模

构网型新能源场站可模拟传统火力发电厂相关特性,具有主动支撑电网频率和电压的功能.提出一种适用于新型电力系统频率和电压稳定性分析的构网型新能源场站聚合模型,并分析场站整体运行特性,提出聚合模型参数识别与选取方法.所提聚合模型能够准确反映新能源场站与电网交互下的动态过程,并保障了较快的仿真速率.与MATLAB/Simulink中构网型新能源场站电磁暂态全拓扑模型进行比较,验证了所提聚合模型的有效性.基于IEEE 39母线系统的案例分析验证了所提聚合模型在电力系统频率和电压稳定性仿真分析中的准确性和快速性.

构网型新能源-储能联合并网系统LVRT控制策略研究

针对构网型变换器控制下的新能源-储能联合并网系统低电压穿越问题,提出一种基于传统低电压穿越策略的附加电压限制器控制方案。首先分析传统基于电流限制的低压穿越策略存在的不足,当故障持续时间较长时仅设置电流限制将容易导致同步失稳问题;然后提出附加电压限制器的改进低压穿越策略,以抑制更长时间尺度下的故障电流,提升故障下的同步稳定性;最后在Matlab/Simulink中搭建新能源-储能联合并网系统的仿真模型对所提方案进行验证。实验结果显示该方案确保了电网发生三相对称跌落故障时新能源储能联合并网系统能够不脱网运行,有效提升故障期间系统的同步稳定性。

基于构网型新能源的电网调频控制策略研究

新能源大规模并网会引发惯量下降等问题,影响电力系统频率稳定性。构网型新能源由于能提供较好的频率支撑能力,正逐渐替代传统的跟网型新能源。为研究构网型新能源对一次调频的具体影响,建立了含构网型新能源的系统频率响应模型,计算了构网型新能源对一次调频动态特性的影响,并提出基于构网型新能源的电网调频控制策略,通过算例分析,验证了该策略的有效性。

基于新能源发电的构网型协调储能控制策略研究

中国正加速构建以新能源为主体的新型电力系统,其在缺少同步机后,没有了阻尼和惯性支撑,会导致系统稳定性下降,因此构网型控制技术(GFM)应运而生。在此基础上基于新能源发电的构网型控制需要某种形式的能量存储与发电装置耦合。此时储能系统(ESS)可在变流器的直流侧或交流侧耦合接入。文中提出了一种基于新能源发电的构网型协调储能控制策略,该策略允许安装在变流器交流侧的ESS具有与安装在变流器直流侧获得的相同的特性和动态行为。此外,所提出的控制还可以协调储能保证系统在新能源不能正常发电时,即电压跌落期间的安全稳定运行,并提供稳定的电压支撑和功率补偿。最后利用Simlink仿真验证了构网型控制面对故障时良好的动态响应能力。

构网型控制在提升高比例新能源并网系统振荡稳定性中的应用

为了研究能够支撑新能源系统稳定运行的构网型与跟网型机组间比例关系,首先以单风场并网系统为例,分析了跟网型和构网型机组的并网动态特性;然后从保持并网风场在低频和次同步频段内振荡稳定性的角度,提出了风场内配置构网型机组容量的计算原则;在此基础上基于三机九节点算例系统,探究了100%新能源构成系统稳定运行的可行性,研究了系统内构网型机组的比例和位置等因素对系统动态特性的影响。研究表明,在风场内配置少量构网型机组即可有效改善弱电网下风场的次同步振荡问题,场内构网型机组的配置容量主要受低频模态稳定性的约束;在100%新能源系统内,构网型控制对远端跟网型机组支撑不足导致的次同步振荡是决定构网型控制需求的关键约束。

构网型储能对新能源多场站短路比的影响分析

新能源多场站短路比(multiple renewable energy stations short-circuit ratio,MRSCR)是衡量电力系统支撑强度的重要指标,构网型储能对提升MRSCR具有重大意义。首先,介绍构网型储能的基本结构,对构网型储能的功率与频率电压的关系进行分析,通过理论推导和仿真结果验证了构网型储能具有虚拟同步发电机特性,可等效为传统电源向交流系统提供短路容量;然后,基于等值阻抗矩阵揭示了构网型储能对MRSCR的影响机理;最后,结合算例验证了构网型储能对MRSCR的提升作用。

构网型变流器:物理本质与特征

全球能源产业变革促进了电力系统电力电子化转型,以新能源为主体的电力电子化电力系统中同步机占比低,系统呈现低惯量、弱阻尼特征,引发了一系列运行问题。构网型变流器本质为电压源,能够主动构建电压频率,为系统提供惯量支撑,有利于改善系统稳定性,是提高新能源主动支撑能力的有效手段,近年来成为研究热点。该文从电力电子化电力系统的运行问题出发,梳理了下垂控制、虚拟同步机控制等典型构网型控制策略的实现原理及内在联系,建立构网型控制策略的统一数学模型;通过类比稳态条件下同步机与构网型变流器的电压频率构建原理,揭示了构网型变流器的物理本质,从电压频率构建、惯量阻尼支撑、同步机制等角度解释了构网型变流器的内涵与特性,可为构网型变流器的稳定与控制提供理论参考。

基于直流电压同步的构网型变流器低频振荡分析与阻尼控制

基于直流电压同步的构网型变流器能够在稳定直流侧电压的同时实现变流器自同步,然而直流电压动态与控制环相互作用可能会引起系统低频振荡。为了研究低频振荡产生的机理,建立了计及直流电压同步控制环与交流电压环的构网型变流器“功率-功角”稳定性分析模型,分析发现直流电压同步相比于功率同步会引入更多的相位滞后,同时交流电压环也会在环路中引入相位滞后,导致系统环路增益在具有高幅值的低频范围内存在-180°相位穿越,进而引发低频振荡问题。基于低频振荡机理分析,提出两种对直流电压同步控制进行相位补偿的方法,通过重塑系统环路低频高增益区的相位,实现对低频段的阻尼控制和振荡抑制。最后,通过仿真和实验验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。

构网型储能变流器VSG控制技术综述

随着可再生能源与电力电子器件的广泛应用,电网的稳定运行面临新的挑战和机遇。虚拟同步发电机(VSG)控制技术在维持电网稳定性和提高能源利用效率方面具有巨大潜力。首先,介绍了新型电力系统的特点,探讨了储能变流器的VSG控制策略,并分析了构网型储能变流器的优势及其应用场景。然后,详细梳理了VSG技术在能量源和储能装置接入可再生能源领域的应用,总结了国内外在该领域的研究重点。特别讨论了考虑储能单元荷电状态的VSG控制、基于混合储能的分频控制与容量分配,以及VSG参数的自适应调节这三种关键的VSG控制方法。对构网变流器VSG技术的研究现状与发展趋势进行了全面梳理,旨在为后续的研究和工程实践提供参考和启示,同时指出储能VSG技术在理论和应用方面的问题并提出展望。

动态过程的幅频调制统一本质与系统稳定问题分类及新能源发电构网能力创新

新能源发电引起的新型稳定问题日益凸显,引起了业界对电力系统稳定问题分类的重新关注。然而,由于目前未能基于系统的基本运行机制与目标建立起系统统一的稳定问题分类,对系统面临的各种失稳现象难以进行合理分类。同时,新能源发电作为主力电源,将自然承担着维持电力系统安全稳定运行的责任,对新能源发电具备构网能力的需求变得越来越迫切。针对上述需求,基本思路是回归到系统运行机制,从电压的幅值与频率稳定是系统运行一般化目标的本质认识上讨论系统基本稳定问题以及运行对设备的需求。为此,首先阐述了电力系统基本运行机制与目标,并以此为主线,基于系统的基本运行机制与目标,对不同装备的一致性与不同装备动态时间尺度的差异性提出了统一的电力系统稳定问题分类框架。在此基础上,基于系统运行目标并结合新能源发电的特点阐述了对新能源发电构网能力的一般需求及暂态构网能力的需求。

面向新型电力系统的新能源并网控制挑战与展望

构建新型电力系统是实现碳达峰、碳中和目标的关键途径。随着新型电力系统的建设推进,局部地区将形成少同步电源甚至无同步电源并网场景,对新能源并网控制提出新的技术需求。该文首先回顾新能源发展过程中并网控制面临的技术问题,分别概述跟网型/构网型新能源并网控制方法;其次,分别简述跟网型/构网型并网控制技术标准与工程实践发展历程;然后,展望新型电力系统对于新能源并网控制的未来技术需求,分析跟网型/构网型并网控制面临的技术挑战;最后,从技术攻关、标准与实证、工程应用出发,对新型电力系统新能源并网控制技术未来发展提出建议。

基于相对等效短路比的新能源——柔直送出系统振荡风险评估

新能源基地并网系统面临与电压支撑强度密切相关的振荡稳定性问题,在海量运行方式下,逐一建立精细化模型的稳定性分析过程耗时较长。短路比指标可直观反映新能源并网系统的电压支撑强度和稳定裕度,但现有短路比无法适用于无同步机电源的系统。为此,将短路比概念合理扩展至全电力电子化系统,基于戴维南等效网络来度量新能源-柔直送出系统电压支撑强度,进而提出了能快速评估新能源-柔直送出系统振荡风险的相对等效短路比计算方法,并阐明相对等效短路比能够全面考虑新能源场站发电功率、交流网架结构以及新能源设备变流控制系统等多重因素对振荡稳定性的影响,最后通过算例验证了相对等效短路比评估方法的有效性。

构网型变流器对交流系统低频振荡的影响分析与阻尼控制

构网型变流器的控制环会影响交流系统的低频振荡模态,并且不同构网型控制策略的影响机理差异明显。为了研究不同构网型控制策略对交流系统低频振荡的影响,文中针对模块化多电平变流器,建立了同步机并联构网型变流器供电系统的阻尼转矩分析模型。基于此模型,对比分析了采用虚拟同步机控制、下垂控制和幅相控制的变流器典型控制回路对系统阻尼转矩分量的影响,并利用频率响应法揭示了主导控制环引发振荡失稳的机理。最后,利用所提模型研究了构网型变流器的关键控制回路改造方案,以提升系统阻尼。基于PSCAD/EMTDC开展电磁暂态仿真,验证了所提模型在机理分析和阻尼控制设计方面的有效性。

新能源经柔性直流孤岛送出系统小信号同步稳定机理

为满足绿色低碳发展的需要,我国正大力推进大规模新能源基地的开发,大规模新能源经柔性直流孤岛送出系统受到越来越多的关注。该系统中新能源设备通常采用常见的跟网型控制,为支撑系统稳定运行,柔性直流设备需采用构网型控制。然而目前对于这样一个高比例甚至100%电力电子系统的同步稳定机理尚不完善。针对锁相环和虚拟同步环在系统同步过程中的作用,建立了跟网型新能源和构网型柔性直流设备的同步模型。然后分析了系统小信号稳定性,推导出系统保证稳定的运行区域,分别针对新能源和柔性直流设备提出了存在失稳风险的运行状态。最后在PSCAD仿真中验证所提结论。