Analysis of Additional Damping Control Strategy and Parameter Optimization for Improving Small Signal Stability of VSC-HVDC System

The voltage source converter based high voltage direct current(VSC-HVDC)system is based on voltage source converter,and its control system is more complex.Also affected by the fast control of power electronics,oscillation phenomenon in wide frequency domain may occur.To address the problem of small signal stability of the VSCHVDC system,a converter control strategy is designed to improve its small signal stability,and the risk of system oscillation is reduced by attaching a damping controller and optimizing the control parameters.Based on the modeling of the VSC-HVDC system,the general architecture of the inner and outer loop control of the VSCHVDC converter is established;and the damping controllers for DC control and AC control are designed in the phase-locked loop and the inner and outer loop control parts respectively;the state-space statemodel of the control system is established to analyze its performance.And the electromagnetic transient simulation model is built on the PSCAD/EMTDC simulation platform to verify the accuracy of the small signal model.The influence of the parameters of each control part on the stability of the system is summarized.The main control parts affecting stability are optimized for the phenomenon of oscillation due to changes in operation mode occurring on the AC side due to faults and other reasons,which effectively eliminates system oscillation and improves system small signal stability,providing a certain reference for engineering design.

Performance prediction of switched reluctance generator with time average and small signal models

This paper presents the complete mathematical model and predicts the performance of switched reluctance generator with time average and small signal models. The complete mathematical model is developed in three stages. First, a switching model is developed based on quasi-linear inductance profile. Next, based on the switching behaviour, a time average model is obtained to measure the difference between the excitation and generation time in each switching cycle. Finally, to track control voltage and current wave shapes, a small signal model is designed. The effectiveness of the complete multilevel model combining electrical machine, power converter, load and control with programming language is demonstrated through simulations. A PI controller is used for controlling the voltage of the generator. The results presented show that the controller exhibits accurate tracking control of load voltage under different operating conditions. This demonstrates that the proposed model is able to perform an accurate control of the generated output voltage even in transient situations. The simulation is performed to choose the control parameters and study the performance of switched reluctance generator prior to its actual implementation. Initial experimental results are presented using NI-Data acquisition card to control the output power according to load requirements.

Small-signal modeling and parameter extraction method for a multigate GaAs pHEMT switch

This paper presents an accurate small-signal model for multi-gate GaAs pHEMTs in switching-mode.The extraction method for the proposed model is developed.A 2-gate switch structure is fabricated on a commercial 0.5μm AlGaAs/GaAs pHEMT technology to verify the proposed model.Excellent agreement has been obtained between the measured and simulated results over a wide frequency range.

Small signal modeling of AlGaN/GaN HEMTs with consideration of CPW capacitances

Given the coplanar waveguide （CPW） effect on A1GaN/GaN high electron mobility transistors at a high frequency, the traditional equivalent circuit model cannot accurately describe the electrical characteristics of the device. The admittance of CPW capacitances is large when the frequency is higher than 40 GHz; its impact on the device cannot be ignored. In this study, a small-signal equivalent circuit model considering CPW capacitance is provided. To verify the model, S-parameters are obtained from the modeling and measurements. A good agreement is observed between the simulation and measurement results, indicating the reliability of the model.

A Direct Parameter-Extraction Method for GaInP/GaAs Heterojunction Bipolar Transistors Small-Signal Model

An accurate and broad-band method for hetero-junction bipolar transistors(HBT) small-signal model parameters-extraction is presented in this paper. An equivalent circuit forthe HBT under a forward-bias condition is proposed for extraction of accessresistance and parasiticinductance. This method differs from previous ones by extracting the c-quivalent circuit parameterswithout using special test structure or global numerical optimization techniques. The mainadvantage of this method is that a unique and physically meaningful set of intrinsic parameters isextracted from impedance and admittance representation of the measured S-pa-rameters in thefrequency range of 1-12 GHz under different bias conditions. The method yields a deviation of lessthan 5% between measured and modeled S-parameters.

基于自适应虚拟电阻的低压微电网有功均分下垂控制策略

由于低压微电网中各分布式电源的线路阻抗不匹配,传统的下垂控制策略难以按照下垂系数合理分配有功功率。为此,提出一种无需通信的自适应虚拟电阻下垂控制方法。通过将微电网中每个分布式发电机(DG)单元输出的有功功率和电压传送给自适应虚拟电阻控制器中,在保证电压和频率稳定控制的前提下实现功率按逆变器容量比例进行精确分配。论文对改进方法的微电网逆变器进行小信号稳定性分析,以优化控制器有关控制参数。仿真和实验结果验证了所提控制方法的有效性。

基于谐波状态空间理论的12脉动换流站阻抗建模

为分析谐波对电网换相型换流器高压直流输电系统(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)稳定性的影响,亟需建立一个考虑谐波耦合效应的LCC-HVDC精确模型。基于谐波状态空间(harmonic state space,HSS)理论,考虑频率耦合效应和控制系统建立了12脉动LCC的阻抗模型,所建交直流谐波阻抗模型能在更宽的频带与扫频结果吻合。最后通过PSCAD电磁暂态仿真结果与HSS阻抗模型计算结果对比,验证了所提出的LCC-HSS阻抗模型的正确性。LCC-HSS阻抗建模方法提高了对LCC换流站进行数学建模的精确性,且可以适应多种模式下LCC换流站阻抗建模,为LCC系统稳定性分析及参数优化提供了较为精确的模型。

基于超前滞后环节附加前馈阻尼的VSG控制策略

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)在引入同步机二阶转子运动方程,增大电力系统等效惯量的同时,也引入了同步发电机的振荡特性,有功低频振荡等动态稳定性问题也随之而来。引入调速侧电力系统稳定器(governor power system stabilizer,GPSS)能有效抑制VSG的功率低频振荡,但其在超调量及调节时间方面的控制效果仍有待提高。通过建立VSG的小信号模型从极点配置角度分析其稳定性,揭示基于GPSS的VSG控制策略在功率动态响应上存在较高超调和较长调节时间的原因。基于此,参考GPSS控制思想,提出了一种基于超前滞后环节附加前馈阻尼补偿的虚拟同步发电机控制策略。并从理论上分析验证了所提控制策略在不影响系统稳态特性的前提下,能够提供调整自由度更高的正阻尼,在有效地抑制功率超调的同时提高了系统的调节速度,从而更好地抑制了有功功率的低频振荡。最后通过MATLAB/Simulink进行对比仿真,仿真结果与理论分析结果一致,证明了所提控制策略的正确性和有效性。

基于虚拟同步发电机的构网型光储变流器控制策略研究

为了抑制光伏发电的随机性和波动性的影响,提高微电网的供电可靠性,对离网工况下的微电网黑启动方案进行分析,并将其与虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制策略一起应用于储能变流器中,建立了储能变流器的VSG数学模型,推导了小信号模型表达式,通过在光储微电网系统引入惯性和阻尼,提高了系统电压和频率的稳定性。最后,在Matlab/Simulink仿真平台上搭建模型,验证了零起升压策略的有效性,确保了黑启动过程中线路电压的稳定;并在并网工况下分析了光储微电网系统各个微源之间的协调控制,验证了构网型光储变流器控制策略的有效性。

多源多负荷直流微电网的稳定裕度分析及控制参数优化设计方法

为研究多源多负荷参数间的耦合交互对系统稳定运行的影响,该文建立多源多负荷直流微电网的小信号模型,基于系统振荡模态以及参与因子进行电压稳定性分析。在考虑同类参数耦合的系统稳定裕度分析中,发现全新规律为三台电源供电时,源侧线路长度采用“两长一短”比“两短一长”时系统稳定裕度更大。在考虑异类参数交互的系统稳定裕度分析中,详细解释了多源中下垂系数和虚拟惯性系数的交互作用。基于多控制参数的耦合交互影响,提出控制参数优化设计方法,实现系统稳定裕度最大,并使多源具有提供较大惯性的能力。最后,实验结果验证了上述分析的正确性。

考虑交直流谐波耦合的并网逆变器建模与分析

可再生能源的大规模开发利用使得逆变器在电网中的比例越来越高,逆变器与电网间谐波交互作用也愈加频繁和复杂。针对传统的建模方法无法体现逆变器与电网间谐波交互耦合的问题,文中基于谐波状态空间(HSS)理论对三相并网逆变器进行建模,该模型将交直流侧的多个频次谐波考虑在内,具有较高的精度。基于HSS模型推导出输入到输出的谐波传递函数矩阵,建立逆变器交直流谐波耦合导纳幅值图,探究交直流谐波耦合关系。然后,提出了一种适用于闭环控制系统的三相并网逆变器小信号HSS建模方法,通过计算特征值对系统稳定性进行评估以及对振荡频率进行预测。最后与MATLAB/Simulink仿真结果进行对比,验证了所建立HSS模型的准确性和系统稳定性分析的正确性。

基于VSG下垂优化控制的新能源电力系统惯性提升

针对传统VSG技术动态性能较差且重要参数J和D最优值较难确定的问题,提出了一种基于下垂控制与神经网络预测的VSG控制与参数优化策略,实现了VSG技术中关键参数J和D的动态调节。首先,所提策略将有功功率-频率下垂控制应用于VSG的控制算法中;其次,通过模拟同步发电机转子运动方程和电压与无功控制特性,建立VSG的小信号分析模型,完成了关键参数转动惯量与阻尼系数的初值整定;最后,建立了人工神经网络进行分析学习和网络训练,调整权值以改变VSG转动惯量与阻尼系数,通过误差函数比较输出量与输入量之间的误差,多次学习训练后参数达到期望值。将神经网络优化算法与下垂控制策略结合,对VSG控制策略进行优化。分别采用传统VSG控制、恒定参数下垂控制和基于神经网络优化的自适应参数下垂控制对算例进行仿真,结果表明:所提基于神经网络优化的自适应参数下垂控制比传统VSG控制的频率最大变化量降低了26.7%,频率稳定时间降低了0.25 s,表明了所提策略的有效性。

基于开关流图法的Buck-Boost变换器小信号建模分析

阐述Buck-Boost变换器具有输出纹波低,电压可控等优点,广泛应用于新能源汽车电池发电、直流微电网。建立小信号模型有利于对电路系统主电路的控制和控制回路的设计。分析Buck-Boost变换器,利用开关流图法和信号支路的模型建立变换器的流图,从而推导出变换器的小型号模型。

超导磁储能装置提高柔性直流配电系统稳定性的研究

柔性直流配电系统中定功率控制的换流器具有恒功率负载特性,会降低系统阻尼,对系统的稳定性产生不利影响。针对该问题,在直流配电系统中加入超导磁储能SMES(superconducting magnetic energy storage)装置来提高系统的稳定性。推导了柔性直流配电系统的反馈控制模型,采用频域分析法研究了换流器恒功率负载特性对系统稳定性的影响,并结合数学模型和频域分析,指出SMES装置能够为电网提供正阻尼,增大了系统开环传递函数在剪切频率处的相位裕度,从而改善了系统稳定性。为防止超导磁体两端电压过高,SMES装置与直流配电网连接的DC/DC换流器需具备一定的电压调节性能,因此研究了采用模块化多电平DC/DC换流器DC-MMC(modular multilevel DC/DC converter)的SMES装置,通过调节子模块个数灵活设置换流器电压变比,在实现换流器能量双向流动的同时控制超导磁体两端电压,以保护储能装置。最后通过时域仿真波形验证了采用DC-MMC的SMES装置在提高柔性直流配电系统稳定性方面的可行性和有效性。

基于有功分数阶微分校正的储能VSG并网有功响应策略

为了解决在有功功率指令、电网频率2种扰动情况下储能虚拟同步机(VSG)并网有功难以兼顾良好的动态特性和稳态性能的问题,提出了一种基于有功分数阶微分校正的VSG(AFDC-VSG)并网有功响应优化控制策略。分别建立典型VSG、AFDC-VSG这2种控制策略的并网有功闭环小信号模型,并给出相应的参数设计过程。利用MATLAB/Simulink仿真软件对比分析不同控制策略在2种扰动下储能VSG的并网有功响应特性,并建立储能VSG并网系统的实验平台。仿真和实验结果共同验证了所提AFDC-VSG策略在优化储能VSG并网有功响应性能方面的有效性与优越性。

基于传递函数分析的双馈风力发电系统动态建模方法研究

以双馈风力发电系统(doubly-fed induction generator based wind energy conversion system,DFIG-based WECS)为例,利用小信号分析法推导出由风机、双质量块传动链构成的动力与传动系统通用传递函数方程。动力与传动系统传递函数的零极点位置、稳定性与系统参数及系统运行工作点相关。该传递函数可进一步分解为扭转分量和非扭转分量。传动链参数仅对扭转分量造成影响。在此基础上,建立了考虑动力传动、电机、变流器、控制等环节的风力发电系统传递函数模型。模型综合了各环节参数,可直观反映系统参数对系统响应的影响,有助于深入了解系统动态行为。算例及时域仿真结果证明了所提出传递函数模型的准确性和高效性,可为系统参数设计研究提供理论依据。

电压控制型虚拟同步发电机的高频谐振特性分析与抑制策略

虚拟同步发电机(VSG)模拟同步发电机的运行机制,引入了有功调频和无功调压控制环节,与传统电流控制型变流器不同,是一种电压控制型策略。文中立足电压控制型虚拟同步发电机控制结构和网源协调特性,构建小信号分析模型,分析在不同控制参数与电网参数场景下的振荡模态,进而掌握电压控制型虚拟同步发电机并网系统的高频谐振特性,并针对性提出高频谐振抑制策略。首先,分别建立电压控制型虚拟同步发电机、传统变流器各控制和电气环节的小信号分析模型,通过特征根分析方法,定量分析所有特征根的振荡模态和阻尼比,发现电压控制型虚拟同步发电机存在与传统变流器类似的高频振荡模态;同时分析虚拟同步发电机控制参数变化、电网强弱场景对其高频谐振阻尼作用机理。其次,基于电压控制型虚拟同步发电机控制策略,以有源阻尼方法为解决思路,提出基于电流内环前端通道引入虚拟阻抗控制策略的谐振抑制方法,抑制其高频谐振。最后,利用Matlab/Simulink仿真和RT-LAB控制器在环实验结果验证所提出的控制策略,结果表明虚拟阻抗控制环节起到有效正阻尼作用,相比于无源阻尼方法,在无需额外增加测点和外部控制量的情况下,电压控制型VSG网侧阻尼特性改善,暂态响应能力增强,高频失稳现象得到有效抑制。

AlGaN/GaN HEMT小信号放大电路设计及放大增益预测

采用计算机辅助设计技术(TCAD)对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件进行了仿真,并利用Multisim设计了AlGaN/GaN HEMT器件的低频小信号放大电路.由于GaN材料的宽带隙和高载流子迁移率,HEMT器件可以在空间科学应用中取代Si基MOSFET.TCAD的仿真结果通过与测试结果的比较进行了修正.通过Multisim仿真结果与搭建的AlGaN/GaN HEMT共源共栅放大电路的测试结果对放大电路的放大特性进行了验证.以此为基础,利用TCAD模拟改变了结构参数的器件特性并采用改进了结构参数的AlGaN/GaN HEMT设计共源共栅放大电路.仿真结果表明,该放大电路在低频和室温下的电压放大能力可达6 200倍.

三相电压型VIENNA整流器建模及稳定性分析

基于电动汽车直流充电桩的VIENNA型前级整流电路,提出采用小信号方法对VIENNA整流器进行建模。该方法首先通过采用局部线性化技术和状态空间平均法推导dq0坐标系下VIENNA整流器的数学模型,得出相关传递函数矩阵,即VIENNA整流器小信号线性化模型,进而用于控制器的设计;然后,采用频域法分别对电压环、电流环进行设计,利用频域法及根轨迹曲线详细分析各项参数对系统的影响,并利用曲线拟合的方式给出了系统稳定域随各项参数变化的曲线;最后,在实验中验证所提方法的正确性。