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。

计及锁相环非线性特性的跟网型逆变器暂态稳定性分析

锁相环作为跟网型逆变器实现相位同步的关键环节,由于其本身所固有的非线性特性,在弱电网情况下,传统小信号模型可能存在不能准确预测锁相环暂态稳定性的问题。为保证受扰后锁相环的稳定运行,提出了一种基于非线性数学模型的稳定性分析方法。首先,根据锁相环工作原理,建立其二阶非线性微分方程,通过相平面法对锁相环输出特性进行定性分析,评估不同参数对锁相环暂态特性的影响;然后,基于等面积法则分析锁相环暂态失稳机理,鉴于传统等面积法则可能导致稳定性的误判,采用非线性动力学多尺度法对锁相环受扰后的暂态时域表达式进行求解,明确锁相环暂态稳定边界;最后,通过Matlab仿真和RT⁃LAB半实物平台验证了所得解析解和锁相环暂态稳定域的准确性,为弱电网条件下锁相环控制参数及电路参数选取提供一定参考。

高渗透率新能源发电并网变流器跟网/构网混合模式控制综述

随着新能源发电渗透率的不断提升,目前以跟网型控制为主流的并网变流器稳定运行受到严峻挑战,具有主动电网支撑能力且弱电网稳定性强的构网型变流器控制技术受到广泛关注。然而,在高渗透率新能源发电条件下,尤其是末端弱电网中,并网变流器采用单一的跟网或构网模式控制难以兼顾稳定性、经济性和电网支撑性能。为此,国内外学者从2种模式的互补特性出发,提出并研究了跟网/构网混合模式控制策略,以期使并网变流器在弱电网下稳定运行的同时,最大限度地利用新能源,并取得优越的电网支撑性能。文中首先从跟网型与构网型变流器的基本控制结构出发,分析了跟网型和构网型变流器控制性能的互补特性;在此基础上,重点梳理了几种不同技术路线的混合模式控制方案,涉及多种单机混合控制策略和多机的场站级混合控制策略,并详细阐述了各方案的技术研究思路、原理和优缺点;最后,对跟网/构网混合模式控制技术的发展进行了展望。

跟网型电化学储能虚拟惯性常数的常数化计算方法

在包含跟网型储能虚拟惯量控制的新型电力系统频率响应(SFR)建模应用中,跟网型储能的虚拟惯性常数具有时变特性,且无法聚合求解系统等效惯性常数,导致不能构建完整的SFR模型。基于此,提出了跟网型电化学储能虚拟惯性常数的常数化计算方法,通过计算具有等效惯性常数-能量支撑效果的常数化虚拟惯性常数,实现系统等效惯性常数的聚合求解。该方法根据能量变化关键节点和动态过程的约束条件,以及跟网型储能虚拟惯量响应的两阶段相异特征,建立了具有最相近能量变化的目标函数,以分段求解常数化虚拟惯性常数。最后,通过建立SFR模型,结合时域仿真法和相关评价指标验证了计算结果的精确性。

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。

满足全运行域振荡约束的跟网-构网组合控制及优化配置

弱电网条件下,跟网型变流器存在宽频振荡风险,而构网型变流器的振荡稳定性相对较好。随着构网型变流器在现场得到逐步应用,有必要研究两类变流器的优化配置问题。首先,提出了两种改善新能源场站弱电网振荡稳定性的跟网-构网变流器组合控制方法;其次,基于阻抗稳定性分析结果,定义了变流器并网系统的振荡安全域,并提出了基于多项式拟合的振荡安全域边界快速求解方法;然后,考虑全运行域振荡稳定约束和经济性约束,提出了跟网-构网变流器容量优化配置方法;最后,通过电磁暂态仿真进行了验证。结果表明,所提多项式拟合方法能够准确、快速地求解振荡安全域边界,所提组合控制和优化配置方法能够确保新能源场站在全运行域下保持振荡稳定。

跟网型和构网型逆变器的阻抗无源化方法综述

相比传统同步机主导的电力系统,由并网逆变器所主导的新能源并网发电系统动态特性发生了根本性变化。近年,国内外报道了多次新能源并网发电系统振荡事件,振荡现象具有宽频域特征,动态行为具有非线性、时变性和复杂性。并网逆变器的端口阻抗无源性是保证并网发电系统稳定的充分条件,适用于复杂电网下的稳定性优化。文中针对跟网型和构网型逆变器,分别从控制器优化设计、串并联虚拟阻抗和其他无源化方法这三个方面,对两类逆变器的中高频阻抗无源化改善方法进行了总结和梳理,最后探讨了当前研究的不足与现存的挑战。

考虑构网型和跟网型变流器的孤岛微电网小信号稳定性分析

由电力电子设备主导的孤岛微电网面临系统惯量小、无频率支持而导致的稳定性问题,恒功率负荷的渗透也加剧了系统的失稳风险。研究了由构网型变流器和跟网型变流器为主导的,计及恒功率负荷的孤岛微电网稳定性。首先,建立了孤岛微电网系统的全阶小信号模型,通过特征值分析法研究了构网型变流器控制中下垂系数对稳定性的影响并得到了下垂系数的数值上界;其次,通过参与因子法揭示了系统参数和控制参数对小信号稳定性的影响;最后,在Matlab Simulink中建立了该孤岛微电网的开关模型,仿真验证了小信号分析结果的准确性。

基于电压矩阵的跟网变流器无锁相环控制的本质特征与提升策略

弱电网下跟网变流器由于锁相环引起的负阻特性容易造成振荡现象。针对锁相环的提升策略已有较多研究,其中,基于电压矩阵的同步控制策略因其不存在锁相环受到广泛关注,但关于其稳定性缺乏严格的理论证明。文中分析表明,基于电压矩阵的无锁相环控制策略本质上是基于并网点电压反正切计算的开环定向方式,虽然去除锁相环但不能提高稳定性。因为该策略并没有降低电压扰动给电流控制带来的负阻特性,所以如何降低并网点电压扰动对于电流控制的影响是提升弱电网下跟网变流器稳定性的关键。因此,提出自适应带通滤波器来降低同步环节的带宽,从而提升跟网变流器在弱电网下的稳定性。最后,通过阻抗模型和实验结果验证了理论分析的正确性和所提策略的有效性。

跟网型和构网型变流器动态交互特性分析

构网型和跟网型变流器2种控制模式具有显著差异,互联场景下系统的稳定机理尚未得到有效揭示。为此,分析了2种变流器内部控制回路的交互机理,旨在揭示互联系统的动态特性。首先,分析了变流器内部控制回路和外部阻抗特性的关系,将整体阻抗分解为环路的等效子阻抗。然后,通过灵敏度分析,定位了不同场景下影响系统稳定性的关键控制回路。基于主导回路分析,研究了关键控制回路间的交互机理。最后,通过时域仿真验证了结果的准确性。

考虑直流侧动态的跟网型变换器稳定性分析

目前大部分关于并网变换器的研究忽略直流侧动态,在直流侧使用恒定电压源,一定程度上影响小干扰稳定性分析。文中主要考虑直流侧动态对跟网型变换器进行建模及稳定性分析。首先,分析新能源场站并网系统直流侧可等效为电压源和受控电流源的适用条件,论证并网变换器建模时考虑直流侧动态的必要性。随之,建立考虑直流侧动态的跟网型变换器谐波状态空间(harmonic state-space,HSS)阻抗模型。其次,在不同电网强度下,通过伯德判据对不同直流侧结构的系统进行稳定性分析,揭示电网强度对跟网型变换器稳定性的影响机理。然后,分析锁相环、电流环、滤波环节对系统阻抗特性的影响。最后,理论分析与电磁暂态仿真结果表明弱电网条件下,锁相环与电网呈现强交互作用,降低了系统的小干扰稳定性,且考虑直流侧动态的系统临界短路比更大。

跟网型并网变换器的稳定域重塑控制策略研究综述

大力发展可再生能源是完成能源清洁化转型和实现“双碳”目标的重要途经。在此时代背景下,电力系统结构形态将发生根本性转变,从以同步机电源为主导的传统电力系统发展为由风、光新能源作为主体的新型电力系统。电力电子变换器作为新能源并网发电的接口,具有高度的灵活性与可控性,如何设计控制策略以保证并网变换器的稳定运行是电网高比例可再生能源发展进程中最受关注的重要问题之一。针对复杂电网工况下基于锁相环同步跟网型并网变换器的致稳控制方法,形成了一系列相关研究成果。在具体并网场景下,通过建立合适的跟网型并网变换器的数学模型,并结合与模型适配的稳定性分析方法明晰并网系统失稳机理,进而设计控制策略以改善并网系统稳定性,提升跟网型并网变换器对具体场景的适应性,即经改进控制策略重塑了跟网型并网变换器的稳定运行域。本文依据所采用的跟网型并网变换器模型及稳定性分析方法,将从小扰动意义下的稳定域重塑控制和暂态场景下的稳定域重塑控制两个方面,梳理与归纳迄今的工作进展,并在此基础上探讨保障高比例可再生能源电力系统安全可靠运行仍需研究的技术问题。

电网阻抗比对跟网变换器同步稳定性的影响机理

随着基于电力电子变换器的电力装备在电力系统中渗透率的不断提高,并网变换器对系统的动态特性和稳定性的影响不断增强。电网阻抗同时影响跟网变换器的电流暂态和锁相环暂态,对跟网变换器的同步暂态响应以及变换器并网系统的同步稳定性有着复杂的影响。文章在考虑锁相环暂态和电流暂态的同时,研究电网阻抗比对跟网变换器同步稳定性的影响机理。首先建立考虑电网电阻和电流暂态的跟网变换器并网系统四阶同步稳定模型,接着提出故障瞬间锁相环频率偏差和电流变化量估计方法,分析电网阻抗比对频率暂态和电流暂态的影响规律。最后,通过Matlab/Simulink仿真,验证理论分析的正确性。

含跟网型VSC的交流系统暂态稳定解析模型及协调控制

电压源换流器(VSC)型高压直流输电系统接入,可能引起交流系统暂态稳定特性发生变化.因此,针对含跟网型VSC的交流系统开展暂态稳定解析分析.建立了故障前、故障期间和故障后系统的暂态稳定解析模型,并提出了一种基于离散积分的系统故障临界清除时间解析计算方法.基于解析模型,分析了故障期间VSC注入电流相位和幅值、故障位置对交流系统暂态稳定的影响.提出了一种增强交流系统暂态稳定性的协调控制策略,其利用广域测量系统获取临界同步机群的转子角频率,实现VSC的有功、无功电流动态调制.基于PSCAD/EMTDC搭建的多机系统电磁暂态仿真模型,验证了理论分析的正确性、所提控制策略的有效性和鲁棒性.

光储系统电网侧故障下VSC变流器的跟网-构网型控制方法

在高渗透率的新能源并网系统中,由于光伏发电系统以及负荷的随机波动性,传统的跟网型控制在电网电压下降时往往难以提供足够的动态无功支撑,从而对系统的安全性和稳定性产生严重影响。为此,针对光储系统短路故障下电压源型变流器(voltage source converter,VSC)跟网、构网及故障期间的电压支撑控制方法进行研究。首先,建立VSC跟网、构网型控制策略的数学模型,分析基于跟网、构网型控制策略的并网控制方法;其次,研究采用2种不同控制策略对公共连接点(point-of-common coupling,PCC)电压的影响,提出基于跟网构网型控制策略的系统控制方案,分析不同控制策略对PCC电压支撑作用的差异;再次,搭建计及光储接入的系统电磁暂态仿真模型,评估光伏逆变器和储能变流器采用3种不同控制方案对系统动态特性的影响;最后,对3种不同控制方案下,系统发生故障后PCC电压支撑程度进行分析,验证了所提出的基于储能变流器构网型及光伏逆变器跟网型一体化控制方法在故障期间具有更好的电压支撑能力。

跟网型永磁同步发电机组相角主动支撑控制策略

永磁同步发电机及全功率变流传动系统相比于双馈异步发电机及部分功率变流传动系统可靠性更高、全生命周期成本更低。本文针对跟网型永磁同步发电机组提出一种相角主动支撑控制策略,在不改变主控制系统的基础上,加入频率变化率-相角反馈环路,在系统负荷突增时放出全功率变流传动系统中间直流环节稳压电容的能量,增大系统惯性以解决高比例新能源电力系统惯性低的问题,并通过DIgSILENT/PowerFactory搭建了仿真平台验证了所提相角主动支撑控制策略的有效性,保证了高比例新能源电力系统的频率稳定。

单相双级型光伏构网与跟网逆变器仿真设计

光伏发电技术的快速发展,带来光伏系统仿真研究的需求。针对目前光伏系统缺乏构网型与跟网型控制的综合仿真研究,及对储能系统功率补偿的依赖程度较高的问题,建立了单相双级型光伏构网与跟网逆变器的仿真模型,设计了无储能的光伏系统控制方法,并在结构一致性的基础上优化光伏系统控制结构。通过在MATLAB/Simulink软件中对所设计的光伏构网与跟网系统进行模拟仿真,验证了控制方法的有效性。

跟网型海上风电中频汇集柔性直流送出系统的最优频率选择

远海风电场采用跟网型风机配柔直送出系统是已得到广泛应用的典型远海风电送出方案,但是目前存在海上换流站平台造价较高的问题。跟网型海上风电中频汇集柔性直流送出方案可以减小换流器的体积重量和造价,是提高工程经济性的一种有竞争力的方案。针对跟网型海上风电中频汇集柔性直流送出系统的最优频率选择开展研究,首先计算了频率变化时海缆的单位长度参数和载流量,基于海缆典型接线研究了不同频率下海缆的选型方案。然后分别计算了不同运行频率下集电系统功率损耗和海上换流平台阀损耗。最后,分别计算了集电系统功率损耗和海上换流平台阀损耗的折现电价、集电系统和海上换流平台的投资成本,基于经济性综合结果表明最优频率位于150~200Hz范围内。

面向海上平台轻型化的跟网型中频远海风电场直流送出方案

海上风电具有广阔的发展前景,而可靠、高效的大规模远海风电并网系统是开发海上风电的关键技术。针对远海风电直流送出系统的海上平台轻型化问题,提出一种跟网型中频远海风电场直流送出方案。该方案采用跟网型风电机组,直流系统的整流侧和逆变侧都采用模块化多电平换流器(MMC)。首先,从拓扑结构和控制系统2个方面对该跟网型中频方案进行了描述;接着,就海上风电场交流系统运行频率对风电场及其直流送出系统的影响进行了分析,包括对变压器、交流电缆和MMC等的影响。基于±320 kV/1000 MW海上风电直流送出系统,分析了100 Hz跟网型中频方案的技术经济性,包括关键电气设备的主回路参数、海上交流电缆造价、海上平台造价、风机造价、交流电缆损耗和整流站阀损耗、交流电缆输电能力。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了跟网型中频方案的电磁暂态仿真模型,验证了该方案的有效性。

构网型与跟网型变流器主导孤岛微网阻抗稳定性分析及提升策略

以电力电子变流器为主导的100%新能源孤岛微网系统,由于其自身的低惯量、弱阻尼特性且缺少大电网稳定的频率和电压支撑,面临着更严峻的失稳风险。首先,文中针对无电网支撑且由逆变器主导的孤岛微网系统,基于谐波线性化建立了序阻抗模型,分析了无功环路及控制延时对阻抗特性的影响。然后,基于系统阻抗网络模型构建了Nyquist稳定判据,充分考虑系统参数对稳态工作点的影响,详细分析了系统稳态工作点和控制参数对微网系统稳定性的影响。基于系统稳定性分析结果,提出了一种适应系统工况变化的虚拟阻抗设计方法,显著提高了系统稳定性。最后,基于RT-LAB实验平台验证了理论分析的准确性。