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。

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。

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。

基于谐波状态空间建模的变换器交直流谐波耦合特性分析

基于谐波状态空间(HSS)理论对变换器进行建模,深入分析了变换器交直流谐波耦合特性。首先,通过数学推导,采用HSS理论对三相AC/DC变换器拓扑进行建模。HSS模型将交直流侧的各次谐波包括在内,反映了各频次谐波变量的作用关系。其次,通过该模型推导变换器的谐波传递函数,建立耦合阻抗图,分析交直流谐波耦合特性。该模型根据微电网中常用的电压源型三相AC/DC变换器建立,给出了变换器交直流谐波耦合阻抗的全局关系,可探究变换器两侧各个频次的谐波特性,并用于变换器并联、级联等结构的谐波分析。最后,在PLECS平台中搭建电压源型三相AC/DC变换器模型,与HSS模型计算结果进行对比,并通过实验验证了所提模型与谐波耦合特性分析的准确性。

考虑谐波耦合特性的LCC-HVDC换流站小信号建模

谐波间的耦合作用关系着系统的动态稳定性能,为在对电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC)系统数学建模时考虑该动态耦合过程,提出了基于12脉波换流器的开关函数理论与指数傅里叶级数相结合的LCC-HVDC小信号谐波状态空间(harmonic state space,HSS)建模方法。该建模方法不仅考虑了谐波的相互耦合作用,具有较高建模精度,同时也揭示了换流站处于不同运行模式下,交/直流侧谐波通过换流站传递到直/交流侧的动态耦合机理。最后,通过PSCAD电磁暂态仿真结果与小信号模型计算结果的对比,验证了文中提出的LCC-HVDC系统小信号HSS模型的有效性及内部谐波动态分析的正确性。该研究结果还为系统稳定性评估与参数优化奠定基础。

柔性直流输电系统高频谐振阻尼特性分析及自适应抑制

基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电系统高频谐振现象频发,MMC的高频负阻尼特性是导致系统发生高频谐振的主要原因。文中首先采用谐波状态空间法建立了含解耦双同步参考坐标系锁相环(DDSRF-PLL)、正负序分离算法和正负序电流控制的MMC交流侧详细阻抗模型。然后,采用阻尼分析方法分析了MMC的高频阻尼特性,并提出参数阻尼灵敏度以定量提取影响MMC高频阻尼的关键因素。最后,提出了一种柔性直流系统高频谐振自适应抑制策略,并与2种典型高频谐振抑制策略进行比较,验证了所提策略在不同电网运行条件和不同MMC控制延时下的有效性。

基于谐波状态空间的无线电能传输系统建模和稳定性分析

LCC-S(一次侧LCC、二次侧LC串联)型无线电能传输(WPT)系统具有发射侧输出电流恒定以及对耦合机构错位的高容忍性等优点,近年来被广泛应用。然而WPT系统固有的非线性特性可能会导致系统失稳,因此文中以LCC-S型WPT系统为研究对象分析系统出现的不稳定现象。首先,将谐波状态空间(HSS)理论引入WPT系统建模,给出了将时域中的状态空间方程转化为HSS方程的方法,该建模方法考虑了系统中各次谐波的相互耦合作用,具有更高的精确度。其次,基于Pade近似等值延时环节,推导了基于HSS理论的闭环控制模式下系统的小信号模型。通过特征值的分布研究控制器参数以及硬件参数对WPT系统稳定性的影响规律。最后,通过仿真和实验验证了所建数学模型的准确性以及理论分析的正确性。

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。

考虑内部谐波耦合特性的MMC小信号建模及稳定性分析

提出了一种基于谐波状态空间(harmonic state-space,HSS)方程的模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,MMC)小信号建模方法。这种建模方法考虑了MMC内部谐波(子模块电容电压波动和桥臂环流)的动态特性和相互耦合作用,具有较高的建模精度。并在此模型基础上,利用特征值分析方法对MMC系统的稳定性进行评估。最后,通过与Simulink/MATLAB仿真结果的对比,验证了小信号模型的准确性。同时分析了控制器参数对MMC系统稳定性的影响,可以提高控制系统的设计效率。

多逆变器并网系统多谐波建模及谐波交互分析

随着新能源并网技术的广泛应用,大量电力电子装置接入电网,其谐波交互问题对并网电能质量造成了一定的影响。针对多逆变器并网系统的谐波交互问题,采用多输入多输出模型对谐波耦合特性进行分析。首先,通过逆变器的小信号方程和谐波状态空间(HSS)理论对多个并联的三相LCL型并网逆变器系统进行建模。其次,基于多逆变器的HSS模型推导谐波耦合系数理论方程,并绘制谐波分量的耦合关系图,从而分析多逆变器并网系统中的谐波耦合特性,即交流侧和直流侧的各个频次谐波间的谐波耦合过程。最后,通过在多种工况下的仿真实验以及RTLAB实验与HSS模型结果进行对比验证数学模型的有效性。

计及开关过程的LCC-HVDC小信号建模及其对电力系统电磁尺度稳定性分析

电力电子装备在电力系统中的广泛应用使得现代电力系统动态行为发生了显著变化,基于电网换相整流器的高压直流输电(LCC-HVDC)作为电力系统重要的组成部分,对电力系统的安全稳定运行具有重要影响。由于LCC-HVDC开关过程呈现断续时变特征,且开关频率与电磁尺度时间常数相当,因此断续时变开关过程的动态特性描述是研究LCC-HVDC电磁尺度动态稳定问题的关键。为此,该文提出了适用于计及开关过程的LCC-HVDC电磁尺度动态稳定分析的小信号模型。首先讨论了LCC-HVDC原始关系及其非线性断续周期时变特征,指出基本问题和挑战;然后基于线性周期时变理论建立了LCC-HVDC电磁尺度下的小信号模型。最后,通过与现有不考虑时变开关过程模型的对比分析,探究了开关过程对系统稳定性的影响,并通过时域仿真验证了分析的正确性。