直驱风电场经MMC-HVDC并网送端系统稳定性分析及振荡抑制

基于模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的高压直流输电HVDC(high voltage direct current transmission)因具有无源网络支撑等优势而被广泛应用于大容量新能源外送消纳。受电力电子设备交互作用等因素影响,送端系统易发生振荡失稳现象。首先,建立了直驱风电场经MMC-HVDC并网送端系统的小扰动线性化模型,分析了风场有功输出对系统稳定性的影响。然后,建立了MMC及风机并网变流器交流侧dq阻抗模型,从阻抗角度揭示了送端系统振荡失稳机理。进一步,提出了基于MMC交流电压控制外环q轴附加阻尼的振荡抑制策略,可满足系统满功率范围内的运行稳定性要求。最后,基于全比例模型的仿真结果验证了所提振荡抑制策略的有效性。

大容量光伏电站经MMC-HVDC并网的谐振分析与抑制

大容量光伏电站经MMC-HVDC送出可解决新能源消纳问题,但大容量光伏电站经MMC-HVDC并网的谐振问题仍待解决。考虑到大容量逆变器具有低开关频率的特点,故进行LCL滤波器设计,建立光伏电站和换流站的频域小信号阻抗模型;再基于阻抗分析法,分析大容量光伏电站经MMC-HVDC并网的谐振机理及潜在的谐振点,发现大容量光伏电站经MMC-HVDC并网时存在谐振风险。针对互联系统谐振问题,采用无源阻尼重塑互联系统阻抗的方案,并明确无源阻尼、相位裕度和系统损耗的对应关系。所提方案能够显著抑制互联系统的谐振现象,为大容量光伏电站经MMC-HVDC并网的稳定性问题提供一种符合实际工程的解决方法。最后基于Matlab/Simulink建立仿真模型,仿真结果验证了文中理论分析的正确性和所提措施的有效性。

风电经双极混合型MMC-HVDC并网的直流故障穿越协调控制策略

架空线MMC-HVDC是大规模风电友好型并网和可靠送出的有效手段。针对架空线故障率高的问题,采用对称双极接线方式和具备故障阻断能力的混合型MMC是其主要解决方案之一。基于此方案提出了风电经双极混合型MMC-HVDC并网的直流故障穿越协调控制策略。通过混合型MMC零直流电压控制实现了故障电流的有效阻断,并维持了故障极MMC对交流电压的支撑能力。基于对称双极接线方案运行方式灵活的特点,根据故障极功率能否被非故障极完全吸收,分别提出了自吸收和非自吸收工况下非故障极MMC的控制策略及其参数调整原则。并基于风电场频率响应能力设计了无需通信的精确减载控制策略,以实现非故障极MMC满载运行,在维持系统安全稳定运行的同时降低对受端交流系统的影响。最后,基于Matlab/Simulink搭建并网系统模型,验证了所提直流故障穿越协调控制策略的有效性。

永磁直驱风机通过MMC-HVDC并网的故障穿越策略

当受端交流电网发生严重短路故障,经柔性直流并网的风电场必须降低出力,使直流输电系统的直流电压保持在安全范围内。针对永磁直驱风机经MMC-HVDC并网系统,提出一种提升其故障穿越能力的控制策略。该策略结合降低风电场交流电压和降低风机输出有功电流2种方式,可以实现风电场侧有功功率的快速降低。同时,为了在故障时限制永磁直驱风机直流链电压的增长,在风机中引入直流电压偏差控制。仿真结果表明:主网发生对称和不对称故障时,MMC直流电压和永磁同步风机直流链电压均可维持稳定,系统可以实现故障穿越。

双极短路故障下海上风电MMC-HVDC并网系统的暂态运行特性

双极短路故障作为最严重的直流系统故障,研究该场景下海上风电模块化多电平换流器型高压直流输电(modular multilevel converter-high voltage direct current,MMC-HVDC)并网系统的暂态运行特性对于系统的断路器配置与控制方案设计有着重要意义。首先分析了直流断路器(direct current circuit breaker,DCCB)未动作时换流站短路电流的产生机理,并提出了风电场侧与电网侧交、直流短路电流的计算方法。其次,研究了计及DCCB控制作用下换流站交、直流侧暂态电压、电流特性,并考虑了风电场运行工况和限流电抗参数对其暂态特性的影响。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了全系统的电磁暂态模型,通过仿真分析了双极短路故障下有无DCCB控制时换流站的暂态电压、电流特性。研究表明:所提短路电流计算方法具有良好的精度,且DCCB动作后风电场侧交、直流电压恢复速率与其输出有功功率呈正相关关系。该研究工作可为系统的电气设计、断路器选型提供理论依据,也可为系统故障恢复阶段控制方案的制定奠定基础。

风电场经MMC-HVDC并网故障穿越控制策略研究

大型风电场一般都远离负荷中心,远距离输电一直是风电发展的制约因素。模块化多电平换流器构成的新型柔性直流输电技术MMC-HVDC因其特殊的拓扑结构,成为了远距离输电的重点研究项目。当风电场经MMC-HVDC并网,电网侧发生故障会导致MMC-HVDC中产生不平衡功率进而引起直流线路电压上升,严重影响系统安全稳定运行。针对该问题进行研究,提出一种以动态卸荷电阻为主,以交流电流阈值为辅的故障穿越控制策略。于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了风电场经MMC-HVDC并网的仿真模型,仿真结果验证了本文故障穿越控制策略的有效性。

风电经架空线双极MMC-HVDC并网的直流故障穿越协调控制策略

采用架空线柔性直流输电技术进行远距离输电是大规模风电场友好型并网的有效手段。针对架空线路易发生故障的问题,采用对称双极主接线并配置直流断路器是其主要解决方案之一。该文基于双极接线方案运行方式灵活及直流断路器的故障清除能力,提出风电经架空线基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)并网的直流故障穿越协调控制策略。根据非故障极的功率转带能力,将故障清除后的不平衡功率分配划分为自消纳情景和非自消纳情景。针对自消纳情景,通过合理切换双极MMC的控制模式,可在提高非故障极功率转带能力的同时自主消纳不平衡功率,进而有效降低转移功率的影响范围;针对非自消纳情景,设计考虑风机转速约束的风电场超速减载协调控制策略,优化分配各风电机组承担的减载功率,充分利用其转子动能和捕获风功率的变化实现精确减载;同时通过控制模式切换使非故障极MMC自主运行于满载状态,减小单极退出运行对受端交流系统的影响。最后,基于Matlab/Simulink仿真模型验证所提直流故障穿越协调控制策略的有效性。

高渗透率下基于并网逆变器阻抗重塑的锁相环设计方法

针对锁相环、电网阻抗与并网逆变器相互耦合所引发的系统稳定性下降问题。首先,建立考虑电网阻抗的锁相环控制结构模型,通过分析锁相环闭环传递函数可知,电网阻抗会使锁相环系统产生右半平面闭环极点,严重影响锁相环与逆变器系统的稳定性。其次,通过分析逆变器系统输出阻抗,说明锁相环所引入的负阻抗是逆变器系统稳定裕度下降的主要原因。鉴于此,该文提出一种新型锁相环设计方法,理论分析表明,所提方法既能够保证高渗透率下锁相环具有高鲁棒性,又能够对逆变器系统输出阻抗进行重塑,有效拓宽系统对电网阻抗的适应范围。最后,通过仿真与实验验证所提新型锁相环设计方法的有效性。

附加频率控制下并网换流器的动态惯量及其量化评估

新能源大规模并网显著降低了交流系统惯量,并网换流器参与频率控制成为提升频率稳定性的重要手段。基于传递函数模型推导了附加频率控制下并网换流器的动态惯量,发现其受惯量设计参数和其他控制环节的共同影响,呈现时变特性,但是将其简化为与同步发电机旋转惯量类似的常数会导致分析误差。为此,面向定直流电压控制和定功率控制这两类主流的并网换流器控制方式,提出了附加频率控制下并网换流器动态惯量的量化评估方法,分析了控制参数、运行工况和系统特性等不同因素对惯量的影响机制,得到了有功控制外环会显著改变原有设计惯量的结论,需重点关注其控制参数导致的惯量偏差。最后,基于在Simulink中搭建的时域仿真模型,验证了所提传递函数模型及惯量量化评估方法的正确性和有效性。

基于电路等效的并网逆变器失稳分析与稳定控制

以并网逆变器为功率接口的新能源发电系统在弱电网条件下易发生振荡失稳问题。该文将并网逆变器的控制回路可视化为电路元件组成的虚拟阻抗,基于该电路模型分析了弱电网条件下电流内环与锁相环交互作用导致并网逆变器振荡失稳的机理,在此基础上,提出了基于有源阻尼的稳定控制设计方法,并对不同有源阻尼控制的电路特性以及稳定性提升能力进行了对比分析。研究结果表明,针对锁相环引入负电阻造成的振荡失稳问题,阻抗-高通滤波器型有源阻尼控制策略具有更优的稳定性提升能力。最后通过PSCAD/EMTDC仿真和远宽StarSim控制器硬件在环实验对比了不同有源阻尼控制策略的振荡抑制效果,并验证了阻抗-高通滤波器型有源阻尼控制的动态性能。结果表明,所设计的稳定控制能够在200 ms内有效抑制系统振荡,并且可实现在短路比为1的极弱电网条件下稳定运行。

弱电网下基于电网电压前馈的并网逆变器阻抗重塑控制策略

弱电网下,锁相环在基波以上频段引入的负阻特性,会降低系统输出阻抗的相位,严重影响系统稳定性。鉴于此,该文通过系统控制框图等效变换,推导得到可以消除锁相环负阻特性的电网电压前馈函数,进而提出一种基于电网电压前馈控制的并网逆变器阻抗重塑控制策略。同时,为了提高该策略的普适性,该文利用函数近似和多目标约束为电网电压前馈函数的优化提供两种设计方法,并从系统基波电流跟踪性能、并网功率因数等方面进行误差分析,从而证明其函数优化设计方法的可行性。理论分析表明,优化后的电网电压前馈控制策略,可以有效地对系统输出阻抗相位特性进行重塑,很大程度上拓宽了系统对电网阻抗的适应范围。最后,通过仿真与实验验证所提控制策略的有效性。

基于对称控制的三相并网变流器单输入单输出阻抗建模与分析

三相并网变流器的不对称控制结构会导致频率耦合效应,降低其接入弱电网的稳定裕度,增加了阻抗分析的复杂度。首先,该文提出一种三相并网变流器的对称控制策略,以消除由锁相环和直流电压环引起的频率耦合效应。该控制策略通过在控制环路中引入直流电压环q轴补偿,以形成对称的直流电压闭环结构,同时引入对称锁相环,消除传统锁相环的非对称动态特性。因此,三相并网变流器可建模为单输入单输出的阻抗复矢量形式,进而可采用标准奈奎斯特准则进行阻抗稳定性分析,能够直观地说明控制器对系统阻抗特性的主导作用。然后,对并网变流器的阻抗特性进行分析,得出弱电网中对称锁相环的带宽对系统稳定性有着至关重要的影响,并且,不同运行工况也会改变并网变流器的阻抗特性,进而影响系统的稳定性。最后,仿真和实验结果验证了所提控制策略对频率耦合效应抑制的有效性以及阻抗特性分析的准确性。

大规模可再生能源发电友好并网与运行调控技术研究综述

“双碳”目标下大规模可再生能源系统的友好并网与稳定运行问题被广泛关注,但受精确的发电不确定性建模技术与科学的并网调控策略制约.为解决这一问题,从可再生能源发电预测与不确定性建模、可再生能源系统并网运营模式、可再生能源系统并网控制方法三个方面进行梳理和总结,讨论了不同时间尺度下发电不确定性预测技术、针对多场景运行需求的不确定性建模技术;从可再生能源-储能系统、可再生能源集群-独立储能系统、多能源互补系统三个角度分析总结了目前并网运营模式;在此基础上,分析总结了跟网型与构网型两种并网控制策略.最后展望了高比例可再生能源系统在未来电网形态演变中的发展方向,以期为新型电力系统中可再生能源与电网协同发展的研究和技术应用提供借鉴.

大功率并网变流器离散域电流控制策略

兆瓦级大功率并网变流器的开关频率较低,延迟和离散化误差对控制性能影响较大,导致动态响应慢、电网背景谐波影响大等问题。因此,直接离散域控制系统设计成为必要。该文针对LCL滤波并网变流器建立离散域数学模型,并基于此提出桥臂侧电流和网侧电流融合的离散域电流控制器。同时,为了在不额外增加电流传感器和检测电路的情况下获取并网电流信息,设计电容电压微分器,实现网侧电流的估算,降低硬件复杂性和控制成本。研究表明,该文设计的离散域电流控制器,具有较好的动态性能和电网背景谐波抑制能力。最后,通过硬件在环半实物仿真系统对所提设计进行了实验验证。

并网逆变器非线性特性建模及稳定性研究综述

并网逆变器作为连接新能源分布式发电和电网之间的关键接口,发挥着将电能高效、高质量馈入电网的重要作用。随着新能源渗透率的持续提高,并网点处电网存在诸如高电网阻抗、丰富的低频谐波、电压幅值/频率波动甚至故障等复杂状况。鉴于并网逆变器本质上是一个多输入、强耦合的非线性系统,沿用传统的线性建模与分析方法已难以解释工程中的复杂谐波振荡现象,并网逆变器的稳定性分析及其稳定运行受到巨大挑战。为此,该文首先具体阐述了线性与非线性和系统受扰大小之间的关系,指出大干扰稳定性分析更依赖于非线性建模及分析方法的应用。在此基础上,对已见诸报道的并网逆变器稳定性分析方法进行了归纳和对比。然后,详细阐述了稳定性分析方法在并网逆变器特定非线性环节中的应用。最后,总结并讨论了现有研究的不足,以期进一步促进“双高”背景下并网装置非线性建模和稳定性分析的研究。

弱电网下并网变流器相位裕度的分频段补偿方法

在弱电网条件下,针对并网变流器各控制环节与电网阻抗之间交互作用,容易引发系统振荡而造成失稳问题,文中提出一种分频段相位补偿控制策略。首先,建立dq坐标下的并网变流器输出导纳矩阵模型,针对在低频段由锁相环引起的变流器输出导纳的负阻尼特性,不改变锁相环动态特性而通过分析锁相环对控制系统的影响路径,加入含积分元素的补偿矩阵抵消锁相环的负阻尼影响,同时简化导纳模型;进而,引入仅含常数元素的补偿矩阵实现超前校正,对电流环带宽外的负阻尼进行相位补偿,使导纳矩阵元素在全频段为正实部,为并网控制系统提供正阻尼,从而增强并网变流器的稳定性。最后,通过仿真和实验在不同短路比条件下对文中提出的补偿方案进行验证,证明所提方案的有效性。

光伏多功能并网逆变器不同出力状态下无功和谐波优化方法

利用光伏多功能并网逆变器所具有的电能质量治理、谐波谐振抑制的主动优势,结合逆变器在不同出力状态下光伏发电系统的输出特性,构建光伏多功能并网逆变器不同出力状态下的无功和谐波优化方法。在所提3层优化策略中,上层优化策略以光伏并网有功功率最大化为目标函数,中层优化策略以电压谐波总畸变率和电压偏差达到相应电能质量规定指标为目标函数,下层优化策略以电压谐波总畸变率和电压偏差最小为目标函数,并采用自适应蚁群算法进行求解。基于IEEE 33节点系统进行算例分析,结果表明:基于逆变器不同出力状态的优化方法可以有效改善电网的电能质量,较好地提升电网运行的经济性;在系统稳定运行的基础上,光伏多功能并网逆变器在不同出力状态下分阶段、分主次地治理谐波和调整电压偏差,治理效果更佳。

面向多运行模式的并网逆变器改进控制策略

为了改善新能源并网逆变器的性能并同时满足多运行模式(并网模式和孤岛模式)调节需求,设计了双重自适应系数,并基于下垂控制和虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制提出了新颖的改进控制策略。该控制策略可灵活地调节惯量和阻尼以满足不同运行模式的需求。设计的双重自适应系数包括自适应协调系数和自适应惯量系数,前者可提高系统动态特性并增强适用性,后者可进一步改善功率超调和振荡问题以完全消除功率超调。所提出的改进控制策略的功率响应无超调和振荡,能够提供接近于VSG控制的惯量和阻尼特性且具有更快的响应速度,可同时满足并网模式下的功率调节需求和孤岛模式下的频率调节需求,具有更大的适用性和更优异的动态特性。最后,通过硬件在环实验验证了所提出的改进控制策略的有效性和可行性。

用于并网逆变器的频率自适应复合重复控制

针对电网频率波动时重复控制(repeat control,RC)难以准确跟踪谐波分量和周期性干扰的问题,提出一种频率自适应复合重复控制策略(frequency adaptive PRC,FAPRC)。采用基于幂级数的滤波器实现分数延时。电网频率发生波动时,只需要输入频率比值的小数部分就能在基频和各次谐波频率处产生高增益,对实际电网频率进行准确跟踪,从而增强了系统在频率波动时的无静差跟踪能力和谐波抑制能力,实现频率自适应。在电网频率变化情况下对该控制策略进行仿真分析,与复合重复控制策略相比,所提策略更具优越性。

不对称短路故障下永磁直驱风电机组并网控制策略研究

电网侧发生不对称故障时,永磁直驱风电机组并网电流会发生三相不平衡的问题。针对这一问题,提出一种基于自适应陷波器的网侧换流器控制策略。该控制策略基于解决机组并网电流二倍频分量的思想,在电网侧发生不对称短路故障时,将进入逆变器的dq坐标系下的二倍频电压分量去除,从而使得网侧换流器输出的电流达到三相平衡。本文首先分析了电网侧发生不对称短路故障后永磁直驱风力发电机组的动态响应;然后建立了机侧和网侧换流器的模型,并分别采用了双闭环矢量控制技术和基于自适应陷波器的控制策略;最后进行仿真分析,验证了改进后的控制策略相较于传统控制策略,有效解决了不对称短路故障下并网电流三相不平衡问题。