基于复矢量及HSS的MMC交直流侧阻抗建模

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)具有运行稳定、控制多样化等优点,对其精确建模成为当前研究热点。提出了一种基于复矢量的MMC交直流侧阻抗建模方法。该方法根据复矢量建模的基本原理分析了换流器的正负序转换关系,并在考虑三相耦合的前提下,从差共模角度简述了三相MMC的建模要点,建立了三相系统的完整时域模型。引入谐波状态空间理论(harmonic state space,HSS)对所建模型进行处理来提高建模精度,并利用接口矩阵及阻抗求解的基本原理建立了MMC的交直流侧阻抗模型。最后在仿真平台进行了对比实验,证实了建模方法的可行性。

海上风电场经交流海缆并网谐波谐振放大分析

采用交流海缆接入电网的海上风电场在电缆线路分布电容的作用下,可能出现陆上风电场不常见的谐波谐振与谐波放大现象,严重威胁到海上风电场安全可靠运行。为研究海上风电场谐波谐振机理与谐波放大影响因素,首先,建立了海上风电场输电系统与集电系统两部分的状态空间模型,并给出谐波放大倍数、谐波含量等指标的计算方法;其次,通过特征值和参与因子揭示了谐波谐振机理及关键影响因素;然后,通过根轨迹法研究了电网短路容量、高压电缆参数和风电机组并网台数对谐振模态的影响;最后,在Matlab/Simulink仿真平台搭建江苏某海上风电场.验证理论分析的有效性。

电力电子化电力系统多时间尺度时变动态小干扰稳定问题

面向国家能源安全和双碳战略的重大需求,大规模多样化的电力电子装备以不同的形式和功能参与到现代电力系统源-网-荷各环节中,受多样化电力电子装备多时间尺度时变动态影响的电力电子化电力系统稳定机制发生根本性改变。近年来,国内外电力系统中持续出现与电力电子装备相关的各种机理不明的振荡事故,表现为振荡频率范围较宽的多时间尺度时变动态问题,严重威胁电力电子化电力系统的安全稳定运行。该文从多样化电力电子装备原始特征出发,归纳电力电子化电力系统多时间尺度时变动态基本特性,并分别从小干扰建模和动态稳定分析归纳对不同理论方法的基本认识,随后从适用于电力电子化电力系统多时间尺度时变动态小干扰稳定快速分析计算为根本目标,凝练基于线性周期时变理论小干扰建模和动态稳定直接分析的研究思路。

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。

柔性直流输电系统三端口混合参数建模及其稳定性分析

模块化多电平换流器(MMC)与系统网络之间的交互是诱发振荡的主要原因,然而现有MMC单侧阻抗/导纳建模方法往往没有计及对端换流站的动态过程,因此该文重点通过建立可以考虑交直流耦合的换流器三端口混合参数模型实现整个双端柔直系统的稳定性分析。首先,该文基于谐波状态空间法推导考虑桥臂间谐波动态交互过程的MMC换流器交直流端口功率守恒方程,并据此建立换流器的三端口混合参数模型;其次,基于所建立的三端口混合参数模型和广义奈奎斯特判据,对MMC互联系统的稳定性进行分析,因该方法可避免计算开环传递函数右半平面零极点的数量,与传统单侧阻抗稳定性分析方法相比,可实现系统稳定性的准确判断;再次,推导了特征值相位关于三端口混合参数元素的灵敏度计算公式,揭示了系统振荡的诱因,进一步结合控制参数灵敏度分析,实现了一种用于改善互联系统直流侧稳定性的直流电流前馈附加阻尼控制策略;最后,结合时域仿真算例验证了稳定性分析和改善措施的有效性。

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。

基于谐波状态空间模型的MMC解析仿真方法

随着输送电压等级的提升和模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)子模块数量的增加,基于详细模型的MMC的仿真方法已难以应对子模块数量增长带来的计算效率上挑战。对此,文中提出一种基于谐波状态空间法的MMC解析建模仿真方法,在能够独立地提供各阶次谐波的暂态波形的同时,实现了大步长仿真。首先,建立考虑交直流侧耦合的MMC在时域下的状态方程,之后通过谐波状态空间法将其转换至谐波域,并推导出其开环控制下的阶跃响应解析式;然后,基于该解析式提出仿真全过程的迭代公式及其数值算法;最后,通过仿真算例验证所提方法的有效性。

基于谐波状态空间的高压直流输电系统SISO阻抗建模及稳定性分析

近年来,电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter based on high voltage direct current,LCC-HVDC)系统的稳定性问题得到广泛关注,多位专家学者建议采用谐波状态空间(harmonic state space,HSS)等线性周期时变建模方法对其分析。然而,HSS不可避免地提高了建模的复杂度与维数,在面对大规模交直流系统时具有局限性。同时,LCC-HVDC包含多类型谐波耦合,各部分耦合对稳定性的影响大小尚未得到充分论证。为此,文中以HSS为底层理论建立LCC-HVDC的耦合阻抗矩阵,揭示高压直流输电系统内部的谐波耦合机理。进一步,通过多频电路等效思想,提出三相系统多维阻抗的降维方法,将耦合阻抗矩阵无损降维成单入单出阻抗,以此分析不同次数的谐波耦合对阻抗特性与稳定性的影响。结果表明,考虑到13次谐波截断可以有效提升高压直流输电系统阻抗模型精度,但对稳定性分析结果的影响小于忽略工况变化、简化逆变侧带来的误差。

基于Kalman滤波的实时电离层产品综合及精度分析

为了进一步研究实时全球电离层图(RT-GIM)产品在全球卫星导航系统(GNSS)实时精密定位、实时空间天气监测等领域中的应用,提出一种卡尔曼(Kalman)滤波结合球谐函数模型的实时电离层产品综合方法:对中国科学院(CAS)、武汉大学(WHU)以及国际GNSS服务组织(IGS)综合RT-GIM产品精度和可用性进行评估;并综合所评估的实时状态空间表述(SSR)数据流产品及欧洲定轨中心(CODE)电离层预报产品,分别生成实时综合产品(KRT-GIM)及预报综合产品(KPR-GIM)。实验结果表明,KRT-GIM可有效避免单一实时电离层产品数据流中断影响,与CAS RTGIM产品相比,综合后重建的垂直总电子含量(VTEC)估值精度平均绝对误差和均方根误差分别降低0.29个和0.38个总电子含量单位(TECU);与IGS RT-GIM相比,KRT-GIM在太阳活动活跃期实时单频精密单点定位的平面和高程方向定位精度分别提升13.9%和7.7%;在太阳活动平静期,KPR-GIM产品与IGS RT-GIM产品的精度较为接近,可用于实时数据流全部中断时为实时用户提供电离层产品连续服务。

考虑长距离输电缆特性的逆变器并网系统谐波不稳定分析及抑制

长距离输电缆(LTC)与并网逆变器交互作用易引发系统谐波不稳定的风险,且忽略线路频变特性可能会导致稳定性误判。文中计及输电线路的分布参数特性和频变特性,研究如何评估这类逆变器并网系统的稳定性。首先,基于矢量匹配法对含LTC的交流系统进行等值,同时考虑逆变器的内外环控制、锁相环、控制延时等环节,建立dq旋转坐标系下逆变器并网系统高频状态空间模型;其次,采用参与因子分析方法辨识出导致谐波不稳定的关键影响环节,并基于根轨迹方法分析了LTC频变特性、延迟时间、控制器参数、电缆长度和电网阻抗对系统稳定性的影响;再次,提出了基于参数灵敏度分析和矩阵相似变换的系统稳定性改善方法,并对改进后系统的谐波稳定性进行分析;最后,基于RT-LAB构建硬件在环实验平台进行了验证,实验结果验证了理论分析的正确性。

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。

V/f控制MMC带换流变压器空载充电发生高频振荡的机理分析

风电经柔性直流输电并网系统中,V/f控制的模块化多电平换流器(MMC)带换流变压器空载充电时可能发生高频振荡,换流变压器动态和MMC控制环节动态对系统高频振荡有较大影响。文中研究V/f控制MMC带换流变压器空载充电发生高频振荡的机理,分析交流电路参数和MMC控制参数对系统高频小干扰稳定性的影响。首先,建立考虑换流变压器杂散电容的送端MMC换流站谐波状态空间模型,通过分析换流变压器杂散电容变化时的特征值轨迹,并与时域仿真结果进行对比,说明高频小干扰稳定性分析中考虑杂散电容的必要性。然后,对MMC带换流变压器空载充电时的高频振荡模式进行参与因子分析,确定参与程度较高的状态变量和关键环节,建立适用于高频小干扰稳定性分析的降阶模型,并利用阻抗特性分析揭示系统发生高频振荡的机理。最后,通过计算系统特征值轨迹,分析交流电路参数和MMC控制参数对系统高频小干扰稳定性的影响,利用电磁暂态仿真验证了分析结果的正确性。

基于序分量映射的MMC单相化阻抗建模及稳定性分析

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)因其耐压高,结构简易,控制多样化等特点,在高电压大容量工况中受到广泛应用,故对其精确建模成为当前研究热点。而直接对三相模块化多电平换流器进行谐波状态空间(harmonic state space,HSS)建模存在模型维度高,复杂性强,物理特性揭示不明确等缺点。该文利用三相系统的参数对称性,首先将三相MMC系统简化为单相系统,进行状态空间模型的构建。并在模型中引入序分量以反映三相系统各信号间的相互关系。其次将该相序映射关系与控制环节的传递函数相结合完成闭环模型的建立,保障数学模型的正确性。最后,在仿真平台进行了对比实验,证实简化建模方法的可行性。在此基础上,该文利用所建立的谐波状态空间方程,使用A矩阵特征值分析了单端MMC系统的稳定性。并利用阻抗分析法分析了互联系统的稳定性,最后的仿真结果也验证了理论分析的正确性。

弱受端场景下角型链式STATCOM接入HVDC系统的阻抗建模及稳定性分析

为抑制电网换相换流器型高压直流输电(line-commutated converter based high-voltage direct-current,LCC-HVDC)换相失败的发生,静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)在受端系统得到应用。然而随着LCC-HVDC系统的发展及新型电力系统的构建,受端电网呈现弱电网的特征。在弱电网条件下,LCC-HVDC系统、STATCOM与弱受端电网交互作用容易引发谐波振荡。该文采用阻抗分析法分析了含角型链式STATCOM的LCC-HVDC系统与受端电网的交互稳定性问题。首先提出一种改进的LCC交流电流和直流电压计算方式,以避免LCC复杂的换相开关函数的线性化。然后基于谐波状态空间(harmonic state space,HSS)理论,分别推导了LCC-HVDC系统以及角型链式STATCOM的多输入多输出(multi-input multi-output,MIMO)阻抗模型。此外,为了便于阻抗测量和稳定性分析,将MIMO阻抗模型等效转化为单输入单输出(single-input single-output,SISO)阻抗模型,并分析了角型链式STATCOM未接入和接入LCC-HVDC系统下的阻抗特性,揭示了含角型链式STATCOM的LCC-HVDC系统在弱受端电网下振荡的机理。分析表明:LCC-HVDC系统单独运行时受端系统容易在中低频段出现正序谐波振荡,而角型链式STATCOM接入后受端系统容易在中低频段内出现负序谐波振荡。最后,通过仿真验证了分析的正确性。

基于相移原理的LCC-HVDC降维谐波状态空间建模

电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC)的强非线性导致其内部频率耦合复杂多样,传统建模方法难以兼顾准确性与实用性。为此,提出了一种基于相移原理的降维谐波状态空间(harmonic state space,HSS)建模方法,将谐波域相移原理与HSS理论相结合,建立了LCC-HVDC系统的降维HSS模型。通过PSCAD/EMTDC平台搭建LCC-HVDC系统的时域仿真算例,验证了所建模型的正确性。在此基础上分析了LCC-HVDC系统的小扰动稳定性,并采用参与因子对失稳模态的主导因素进行了辨识。基于所建立的模型进一步研究了HSS截断阶数对模型精度及稳定性分析的影响,并给出了LCC-HVDC系统HSS模型截断阶数选取的建议。结果表明,所提模型具有较高的完整性与准确性,且相较于传统HSS模型的维度降低了一半,大大缩短了计算时间,有效降低了理论分析的复杂度。

基于谐波状态空间的MMC背靠背直流输电系统阻抗建模及稳定性分析

研究了模块化多电平换流器(MMC)的背靠背直流输电系统的新型振荡问题。针对稳定性问题的分析需求,首先,建立了系统的时域稳态模型;然后,采用改进的谐波状态空间法(HSS)法建立了考虑谐波耦合特性的系统直流侧频域阻抗模型,详细分析了MMC电气参数、内部环流抑制、内环电流控制、外环不同控制方式、长链路延时等因素对直流侧阻抗特性的影响,通过合理的设计系统参数,保证系统的安全稳定运行;最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台,通过与电磁暂态模型扫频结果进行对比,验证所提出的阻抗模型以及稳定性分析方法的正确性。

基于状态空间模型的管路结构损伤识别系统

为避免管路系统事故发生,对管路系统的服役情况进行实时监测,以期及时发现装置结构隐患。本研究采用状态空间模型,以某高压蒸汽管路系统为研究对象,开发了一个科学、有效的损伤识别监测系统,基于振动信号检测管路系统中的失效与故障,全面地掌握管路系统的健康状态并进行预警。研究结果表明,在某些特殊情况下,系统能够很快予以调研且实时的输出监测信息,测试平均响应时间4.436 s与损伤识别准确率80%分别满足设计要求的响应时间小于20 s以及准确率大于70%,且由于基础理论和结构的适应性,该系统适用于各种类型的管道,并且可以针对一种或多种失效模式,具备较强的应用价值。

新型电力系统MMC振荡机理及稳定性分析

近年来,基于模块化多电平换流器的高压直流输电(modular multilevel converter-high voltage direct current,MMC-HVDC)系统经常出现振荡现象,小信号分析法是研究MMC-HVDC系统振荡机理及控制器设计的有效工具。首先,针对实际工程中出现的部分振荡问题,分析了其对系统安全稳定运行的影响。然后,介绍了国内外现有的MMC阻抗建模方法,并针对谐波状态空间(hamonic state space,HSS)法总结了MMC开环平均值模型通用的建模过程,归纳出该方法常用的闭环控制环节的引入方案,对现有的振荡问题稳定性分析方法进行了总结。最后,提出了未来柔性直流系统振荡问题的研究方向与挑战。

基于谐波状态空间的模块化多电平换流器直流侧改进建模

目前谐波状态空间方法应用于模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)时将控制系统和电气系统的建模统一集成到MMC系统状态空间方程的矩阵A中。该建模方法并没有给出便利的控制系统建模接口,不方便研究控制环节的影响以及不利于模型的扩展。提出了基于谐波状态空间的MMC直流侧闭环阻抗统一建模方法。该建模方法将电气回路与控制回路分别建模表示,控制回路的建模表现为电气状态变量到调制波信号的传递函数矩阵,最后通过调制波信号对电气回路的作用矩阵来实现MMC系统的整体建模。控制回路进行单独建模且并未引入新的变量,使得模型结构更加清晰,并省略了控制系统中多余的状态变量的建模。提出的建模方法还保持了谐波状态空间方法高精度的特点,为MMC的直流侧阻抗分析和参数优化提供了支撑。RT-LAB实时硬件仿真结果验证了所建立模型的正确性。

电网对地分布电容对零序直流选择性漏电保护性能的影响分析

运用状态空间建模方法研究了目前国内广泛关注的零序直流选择性漏电保护中电网对地分布电容对支路检测信号零序直流选择特性的影响。首先根据整流管的工作特性建立了任意工频周期内检测电流的电路模型,用状态变量法推导出各检测电流的数学表达式;然后用谐波分析法对各检测电流进行谐波分解和幅值计算,并得到其波形。结果表明:正常取值范围内的分布地容对分支检测信号的选择特性影响很小,并且与不考虑电容影响时一样,当漏电阻值降到3.3kΩ以下时,其选择特性更加显著。