电压源型并网变流器状态监测与故障诊断方法综述

电压源型变流器(Voltage source converter,VSC)广泛应用于分布式发电和储能单元等并网领域中,VSC系统严重影响并网系统的稳定运行。开发并网VSC潜在故障的健康状态监测和早期观测识别,对于保证变流器持续安全稳定可靠运行具有重要意义。首先,对并网VSC的主电路结构及常见电气故障进行了总结和分析,包括DC-link电容故障、绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)故障、滤波电感故障、交流侧电流传感器和电压传感器故障等,并阐明了故障发生机理与故障特性;其次,以并网VSC状态监测和故障诊断方法为核心,对国内外学者的相关研究进行了分类和归纳,对比总结了不同状态监测和故障诊断方法的优点和不足;最后,对并网VSC状态检测和故障诊断技术未来的研究方向进行了展望。

直驱风电场多电压源型变流器控制耦合引发振荡的机理分析

近年来,直驱风机风电场相关的电力系统电磁振荡现象已成为研究热点。文中对风电场中多台静止无功发生器(SVG)之间的耦合振荡机理以及由此引发风电场自持振荡的可能性进行了研究。考虑到直驱风机和风电场出口SVG同属电压源型变流器(VSC),在控制结构上具有相似性,提出了定电压控制模式下双VSC耦合系统产生不稳定模式的机理及其电压参考值匹配判据,对运行方式发生变化(体现为与系统的连接电抗发生变化)导致发散振荡的概率给出了计算方法。结合算例分析和讨论可知,当定电压控制的2台SVG电气距离较近时,如不满足电压参考值匹配判据则系统存在不稳定模式。通过计算连接电抗大小变化时主导特征根实部的分布函数可知,该模式与连接电抗变化情况弱相关,与SVG控制模式强相关,且可能成为风电场内直驱风机非线性限幅自持振荡的激发条件。

电流源-电压源变流器混合并联独立供电系统的分布式功率控制

针对电流源型变流器和电压源型变流器共同支撑的混合型独立微电网,提出了一种适用于电流源-电压源变流器混合系统支撑独立微电网功率控制的新型下垂控制策略。其中,电压源型变流器仍采用传统的P-f、Q-V下垂控制,而电流源型变流器通过虚拟电流矢量在电压定向轴方向的投影来模拟有功电流的大小;无功电流是基于电压源无功下垂控制的对偶性,结合dq轴物理量之间的耦合特性,通过d轴电压计算得到,在不需要检测无功功率的基础上实现了无功功率的分布式控制。电流源仅通过电流环路便可实现和电压源之间合理的功率分配。通过建立小信号模型,对系统的稳定性进行了分析。最后,通过仿真验证了所提控制策略和参数设计的有效性。

电压源型变流器并网系统多时间尺度间相互作用

电压源型变流器(VSC)的控制环节及其与网络间的相互作用是造成VSC并网系统失稳的重要因素。而VSC的控制具有多时间尺度特征,具体可划分为直流电压控制(DVC)时间尺度和交流电流控制(ACC)时间尺度。现有文献大多仅针对单一时间尺度的稳定性问题开展研究,对于多时间尺度环节间的相互作用则鲜有涉及。对此,该文基于模式分析方法,提出衡量多时间尺度间相互作用的量化指标,揭示多时间尺度间相互作用随锁相环带宽和系统短路比的变化规律。进而通过对比不同时间尺度模型的阻尼比和振荡频率,明确多时间尺度间相互作用对系统稳定性分析结果的影响。最后探讨DVC、ACC时间尺度模型的适用范围,并从物理角度对分析结果进行初步阐释。

电压源型全功率风电变流器控制策略研究

在弱电网特征下的电力系统运行环境中,传统的电流源型变流器控制方式容易出现振荡现象,这增加了风电机组的穿越难度和脱网概率。文章基于虚拟同步发电机技术(virtual synchronous generator,VSG),结合电压源型变流器控制方式和电流源型变流器控制方式,设计了一种新型的电压源型变流器的控制策略。其在正常并网运行条件下,采用电压源型变流器控制方式,有功控制通过VSG增加有功补偿,无功控制前端注入无功电流;在启停机和高低电压穿越工况下,采用电流源型变流器控制方式。该控制策略融合了电压源型变流器控制方式与电流源型变流器控制方式两者的优点,不仅具备频率支撑特性,同时还具备快速的有功无功响应能力。对全功率风电变流器的并网过程、有功无功响应及高低压穿越过程进行仿真和样机实验,结果显示,所提新型控制方案在风电变流器各运行工况下都能取得很好的控制效果,使风电机组具备良好的稳态及动态性能,并能很好地适应新能源并网的需求。

改进型双向Z源储能变流器拓扑结构及空间电压矢量调制策略

针对传统Z源逆变器电容电压应力高、启动冲击电流大、存在非正常工作状态、能量无法双向流动等缺点,提出了一种改进高性能双向Z源变流器拓扑。将改进型Z源逆变器中的二极管用一个带有反并联二极管的全控开关代替,通过对全控开关的控制,使Z源电感中的电流可反向流动,电感电压始终被钳位在电容电压,进而消除传统和改进型Z源逆变器在小电感或轻载下出现的非正常工作状态,保持直流链电压稳定。此外,控制电感电流的反向流动还可实现能量由交流侧向直流侧回馈。在理论分析的基础上,提出了一种改进型空间电压矢量调制策略。仿真结果表明,所提拓扑的电容电压应力和启动冲击电流比传统拓扑的更小,可在纯无功负载下运行,并可实现能量的双向流动。

背靠背电压源型变流器的非线性解耦矢量控制

建立了背靠背电压源型变流器在dq坐标系下的动态模型,基于反馈线性化方法设计了变流器与两端交流系统有功功率和无功功率非线性解耦控制器,实现了有功和无功功率的独立控制,基于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC和30kVA/380V物理样机对参考功率跟踪进行了仿真和实验,对所构建控制器的有效性进行了验证。

电压源型并网变流器的机–网电气振荡机理及稳定判据研究

电压源型变流器广泛地应用于可再生能源发电的并网与接入。随着可再生能源在电网中的比重不断增加,并网变流器在实际电网接入及运行中出现一系列不稳定现象,如次同步振荡和谐波振荡等。因此,揭示其内在作用机理,并提出有效的解决方法是电力系统应对电力电子化冲击的关键。为此,该文对电压源型并网变流器与电网所构成的"机–网系统"的小干扰稳定问题展开深入研究。建立了"机–网系统"的机理模型;给出了"机–网系统"RLC电路等效,并利用频域相量法从阻尼特性的角度揭示了"机–网系统"产生振荡的机理;随后,解析的推导出"机–网系统"固有谐振点频率以及临界稳定判据的表达式;最后在PSCAD/EMTDC以及RTDS硬件在环实时仿真平台上搭建"机–网系统"详细模型,验证了机理分析以及小干扰失稳解析判据的正确性。

三相电压源型PWM可逆变流器的新型相位幅值控制

介绍了相位幅值控制的基本原理和原始算法，根据电路拓扑结构提出了一种新型的相位幅值控制算法，简化了原始算法，使其具有通用性。利用80c196KC单片机实现了变流器的控制算法，并完成了功率因数的闭环控制，最后给出了实验结果加以验证。

SMES装置用电压源型变流器双闭环功率控制系统设计

基于PI控制器的双闭环功率控制系统简单可靠,但存在理论参数控制效果不理想、参数进一步调整缺乏系统方法的问题。针对该问题,以超导磁储能(SMES)装置中较常采用的电压源型变流器(VSC)为对象,研究其双闭环功率控制系统中PI参数的设置方法。首先给出SMES系统中VSC数学模型及控制系统结构,并基于二阶最佳整定思想推导各环PI控制器理论参数的计算式;然后以传递函数及根轨迹为工具,分析各环PI控制器参数变化对各环动态特性的影响规律,并据此总结参数调整步骤;最后通过仿真算例验证理论分析的合理性和参数调整步骤的有效性。

基于三电平电压源变流器的同相牵引供电方案研究

提出了基于二极管箝位型三电平电压源变流器的同相供电综合潮流控制器方案.综合潮流控制器(CPFC)装置主要由两个背靠背的单相二极管箝位型三电平电压源变流器构成,主要用于传递有功功率、补偿无功功率及谐波,使得牵引供电系统相对电力系统而言,是一个三相对称纯阻性网络.分析了三电平电压源变流器的主电路结构,提出了三电平载波PWM电流控制和电容中点电压平衡控制策略.Matlab/Simulink仿真结果,验证了该方案的正确性.

面向微网群的多端口电流源变流器共模电压抑制仿真

研究了一种基于电流源的多端口变换器,并将其应用于微网群的互联。针对微网群系统共模电压较高,易造成电机绝缘损坏、电磁干扰、通信故障、保护误动作等问题,提出一种改进的综合空间矢量调制策略。首先,对零矢量的冗余开关状态进行优选,抑制零矢量作用产生的共模电压尖峰。然后,研究变流器不同矢量排序方案对系统共模电压的影响,提出一种优选的排序策略,进一步降低无序的矢量排列造成的共模电压尖峰。最后,在MATLAB/Simulink环境下搭建含多端口电流源的微网群仿真模型,并针对所提综合调制策略进行仿真分析,结果证明了该调制策略的可行性和对共模电压抑制的有效性。

输电线路两端受控电压源失谐引发功率振荡的机理分析

随着构网型(grid-forming,GFM)变流器技术的成熟以及在维持弱电网稳定性方面的优势,其将广泛应用于新型电力系统中的柔直、储能等并网单元。受分布式GFM变流器频率测量和控制精度差异及电网频率时空分布特性的影响,易发生交流输电线路两端基于GFM型变流器的电压源型受控单元(voltage source controlled-unit,VSCU)输出频率长时间不一致的失谐现象。失谐是否会进一步引发线路异常的功率振荡问题,亟待研究。首先,该文基于GFM型变流器不同控制策略特点以及引发失谐诱因的分析,建立输电线路两端带失谐VSCU的等效电路模型;其次,从拓展新型电力系统稳态潮流研究的角度,推导线路单相瞬时电流和单相瞬时功率在失谐VSCU作用下的计算式,并定义反映失谐前后瞬时电流和瞬时功率振荡峰值倍增效应的峰值放大系数;最后,从VSCU间同步和同谐能力两方面,指出峰值放大系数和最大峰值出现时间受线路长度、失谐程度和初相位差影响的变化规律,并拓展分析频率测量精度对失谐型振荡的影响。研究表明,仅通过提高GFM型VSCU间的自同步能力或GFM型控制策略精度/频率测量精度无法从根本上解决失谐型功率振荡问题。

超导磁储能电压源型变流器系统电磁干扰分析

超导磁储能用电压源型变流器是超导磁体与电网进行能量交换的桥梁,采用复杂的级联结构,大量使用高频大功率开关器件(如IGBT)。工作时由于开关器件动作会产生很高的dv/dt和di/dt,引起严重的电磁干扰。首先,对超导磁储能电压源型变流器电磁干扰产生机理进行分析,进而提出该级联电路的传导电磁干扰等效电路模型;其次,对电路中各器件的高频特性进行分析。最后通过仿真,对比分析电路器件高频寄生参数对电磁干扰的影响。分析结果表明,器件的高频寄生参数对传导电磁干扰有很大影响,在高频段更为明显。

系统强度支撑型可塑变流器(一):暂态电流安全及电磁暂态验证

电力电子器件弱过流能力是构网型技术应用的关键制约因素之一。如何在电流限幅约束下既保证变流器自身设备安全性,又充分发挥其电网支撑能力是尚未解决的难题。为此,该文针对系统强度支撑型可塑变流器(system strength supported flexible converter,SSS FC),提出一种基于内电势矢量重塑(potential vector remodeling,PVR)的新型控制框架。首先,在分析SSS FC的暂态过流机理的基础上,给出基于PVR控制的暂态电流抑制新方法,其依据变流器并网端口电压矢量直接改变功率同步控制约束的内电势实现限流,主要包括启动判据、幅相补偿计算以及分相虚拟构建等环节;然后,通过建立SSS FC各电压矢量轨迹与时域暂态电流的理论模型,分析幅相补偿机制对SSS FC暂态特性的改善效果;最后,通过电磁暂态仿真验证各类对称与不对称电网故障下所提方法保证SSS FC本体安全的有效性。

电压源AC/DC变流器系统神经网络控制的研究

以三相电压源变流器为控制对象,采用神经网络控制代替滞环电流控制,进行MATLAB环境下的系统闭环仿真.研究表明系统在理想情况下能实现单位功率因数而且在某相电流误差信号丢失的非理想情况下仍然能实现单位功率因数控制.

三相电压源变流器的容错控制

采取的针对三相电压源变流器容错控制策略,不仅使三相电压源变流器在开关管触发脉冲丢失的故障状态下仍可保持输出电压的稳定,而且可实现变流器工作在单位功率因数,使系统在故障的情况下仍能维持规定的性能,提高了系统的可靠性。

广义谐波电网环境电压源型并网变流器滑模变结构直接功率控制策略

针对实际电网电压中存在实时动态变化的谐波运行环境,提出电压源型并网变流器广义谐波下的滑模变结构直接功率控制(sliding-mode-based direct power control,SMCDPC)策略;其实施是针对所有次数谐波,该控制策略不需实时精确的电网谐波次数和相位检测,具有实际工程应用价值。在以往研究成果的基础上,建立了广义畸变电网环境中的并网电压源型变流器(grid-connected voltage-sourced converters,VSC)的完整数学模型,提出3种该运行环境下的控制目标:正弦形输出电流,消除有功功率波动和无功功率波动。完成了滑模变结构直接功率控制设计。仿真结果表明,相比传统滑模变结构直接功率控制,改进的滑模变结构直接功率控制增强了电压源型并网变流器在实际电网广义电压谐波下环境中的运行能力。

电压源变流器死区效应分析及抑制策略

死区效应是引起电压源变流器非线性特性的主要因素之一,会导致变流器运行性能变差。深入分析了死区效应对变流器的具体影响及传统死区补偿方法存在的问题,提出一种基于新型无差拍控制的变流器重复控制策略,用于抑制死区效应。详细阐述了所提方法的控制结构和原理,对其死区补偿性能和稳定性进行了深入分析。所提方法能有效消除死区效应引起的电流谐波,并能校正输出电流的偏差,使其精确跟踪指令电流。相比于传统死区补偿方法,所提方法不需要额外的硬件检测电路或复杂的电流极性检测算法。实验结果验证了所提方法的正确性和优越性。

基于电流控制电压源的并联三相变流器环流抑制控制方法

三相变流器并联运行能提高系统可靠性和传输容量,然而并联结构为环流提供了流通路径,可能导致供电质量降低,运行损耗增加,为此必须采取措施抑制环流。本文以变流器作为电流控制电压源,通过增加环路等值阻抗的方法抑制环流。经分析可知,变流器输出电压不对称及线路参数不对称引起的零序环流和谐波环流流经相同的路径,采集并联变流器系统环流,经转移阻抗计算得到输出电压,并与正常运行时的控制系统输出电压叠加,环流回路相当于增加了该转移阻抗。仿真结果表明,采用该方法且转移阻抗选择纯电阻时,零序环流和谐波环流均能进行有效抑制。