Generic Modeling and Control Framework for Power Systems Dominated by Power Converters Connected Through a Passive Transmission and Distribution Grid

In this paper,a compact mathematical model having an elegant structure,together with a generic control framework,are proposed for generic power systems dominated by power converters that are interconnected through a passive transmission and distribution(T&D)grid,by adopting the port-Hamiltonian(pH)systems theory and the fundamental circuit theory.The models of generic T&D lines are developed and then the model of a generic T&D grid is established.With the proposed control framework,the controlled converters are proven to be passive and Input-to-State Stable(ISS).The compact mathematical model is scalable and can be applied to power systems with multiple power electronic converters with generic passive controllers,passive local loads,and different types of passive T&D lines connected in a meshed configuration without self-loops,so it is very generic.Moreover,the resulting power system is proven to be ISS as well.The analysis is carried out without assumptions on constant frequency/voltage,constant loads,and/or lossless networks,except the need of passivity for all parts involved,and without using the Clarke/Park transformations or the graph theory.To simplify the presentation,three-phase balanced systems are adopted but the results can be easily adapted for single-phase or unbalanced three-phase systems.

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。

基于静止无功发生器详细模型的机电暂态仿真适应性分析

机电暂态仿真是大电网分析的重要工具。现有电力电子设备的机电暂态模型一般呈现理想电流源特性,无法体现设备自身稳定性及能力约束对于系统暂态特性的影响。在电力电子化电力系统背景下,以上不足降低了仿真准确性,制约了电网运行极限制定与新能源送出能力。文中基于旋转坐标系推导了静止无功发生器及控制系统的标幺化数学模型,并建立了对应的机电暂态模型。在建模精度与电磁暂态模型一致的前提下,通过模态分析法对比了机电暂态仿真与电磁暂态仿真的主要差异,揭示了机电暂态仿真的能力边界与适用范围。结果表明,机电暂态仿真能够揭示与工频能量流有关的功角、频率、电压稳定特性,而不能反映与电网动态强相关的谐振或者宽频振荡特性。

基于SFR模型的电网广义惯性分区评估方法研究

近年来新型电力系统的电力电子化趋势愈发明显,一方面随着能源结构的调整,大量采用电力电子接口的新能源发电接入电网;另一方面随着节能技术的发展,负荷设备也逐步实现了电力电子化.由于电网中的电力电子设备占例不断提高,削弱了原有同步发电机、异步电动机的占比,给电网的安全稳定运行造成了不利影响.基于SFR模型提出了一种电力系统广义惯性的分区模型及其评估方法,并可用于分区补偿前后的性能对比.首先,面向电力电子化趋势建立了电网的SFR广义惯性分区模型;其次,根据仿真算例分别模拟惯性补偿前后的系统分区频率曲线,通过粒子群优化算法拟合惯性时间常数H,并计算相应的惯性分布均匀指数Dδ;再次,通过综合评估H和Dδ,分析惯性大小的改善及惯性分布均匀性;最后,基于评估结果进一步调整补偿措施,返回上述参数计算步骤直至满足设计评估要求.通过仿真算例验证了相关模型及相应评估方法的正确性与适用性.

电力电子接口对电力系统频率控制的影响综述

风电、光伏、储能、柔性高压直流输电等通过电压源/电流源型变流器接口取代了传统的机械开关并网,将给电力系统的既有频率动态特性、有功平衡原理及相关控制方法带来改变。首先回顾了近年电力电子接口相关的系统频率事件,从惯量角度分析了规模化电力电子接口对系统频率控制的影响。总结了提高频率支撑能力的接口控制技术,分析了接口外特性在惯性响应和一次调频环节与同步机组等价性。基于能量守恒原理讨论了大规模电力电子接口接入下电力系统有功平衡机理,最后从机理、模型、方法层面提出了电力电子化该领域内值得探索问题。

电力电子化电力系统的调频挑战与多层级协调控制框架

电力电子接口装备在源、网、荷的深度应用推进了电力系统的电力电子化进程。净负荷波动增加、同步惯性减小、有功平衡能力削弱,对系统频率稳定的冲击初现端倪。电力电子接口电源的输出功率不响应系统频率变化、输入能量不可控、控制器髙度异构,难以纳入传统交流同步系统的有功频率调整框架,而未来的电力系统需要在越来越少同步发电机容量背景下维持有功平衡,问题更加凸显。从电压源型换流器可定制性出发,提出了电力电子化下对电力系统有功频率多层级协调控制的新框架:在接口层面,重建输出功率与系统频率的耦合关系,虚拟同步机的惯性响应与一次调频特性;在单机层面,协调电力电子电源内部储能元件释能和输入能量来提供调频能量,优化虚拟参数实现机网协调,降低频率二次跌落风险;在多机层面,统筹改善频率动态特性的装置和长期频率恢复装置的配合;在系统层面,借助柔性直流输电换流站的下垂策略,重建直流互联的多同步系统间跨区频率支援。

采用三阶模型的虚拟同步发电机功率振荡特性分析及附加阻尼控制

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)为电力电子化电力系统所存在的惯量不足等问题提供了新的解决方案,但VSG是基于同步发电机的数学模型设计的,因此也存在传统同步电机的功率振荡问题。采用同步发电机的三阶模型进行VSG–无穷大系统的小信号模型的构建,并通过复数力矩系数法,分析得出在一定条件下,VSG–无穷大系统在线路阻抗等因素的影响下将产生负阻尼力矩,且线路电阻对负阻尼力矩具有非线性影响,功率振荡的可能性较大。设计一种用于改善系统阻尼特性的附加阻尼力矩补偿器(additionaldampingtorquecompensator,ADTC),通过引入正阻尼力矩抑制功率振荡。最后通过仿真,验证了负阻尼力矩的影响因素及ADTC的可行性与有效性。

电力电子化电力系统暂态稳定性分析综述

与传统交流电力系统相比,电力电子化电力系统具有其特殊性,其拓扑结构会随着电力电子器件的开关动作而改变、多个时间尺度的控制相互作用、非线性程度强、结构更加复杂、状态变量阶数更高,这些特点给电力电子化电力系统的暂态稳定性分析带来了严峻的挑战。该文首先基于电力电子化电力系统的结构特点将其暂态稳定性分析划分为3个层次;然后通过研究电力电子化电力系统与传统交流电力系统暂态稳定性分析的差异,结合非线性系统理论阐述其暂态稳定性的本质;接着总结将传统交流电力系统暂态稳定性分析方法应用于电力电子化电力系统所需要解决的问题;最后将直接法分解成建模、简化模型、构造李雅普诺夫函数和估计吸引域4个步骤。该文全面梳理暂态稳定性分析方法,探索电力电子化电力系统暂态稳定性分析的基本思路和方法,为电力电子化电力系统的暂态运行及控制研究提供一些可靠的理论基础。

继电保护面临的挑战与展望

结合中国电网交直流混联、电力电子化、清洁能源接入等发展态势,分析了现代复杂电网故障特性发生的改变,提出了当前继电保护技术面临的形势与挑战,总结了继电保护技术发展需要坚持的原则,探讨了"即插即用的就地化保护"、"优化配置的后备保护"、"智能化运维体系"、"三大继电保护技术支撑平台"、"直流控制保护"、"继电保护前瞻性技术"等重点发展方向。

适用于电力电子化电力系统的同调等值判据

随着大规模新能源发电系统的发展,电力电子装备在电力系统中的渗透率越来越高。为了准确高效地研究扰动下电力系统装备的暂态运行特性及电力系统的稳定性,多电力电子装备的简化模型亟待建立。同调等值法是一种保留系统元件结构的等值建模方法,等值后的模型仍具有明确的物理意义,因此用同调等值法进行简化建模。同调等值的关键在于同调判据的建立。对于含多状态变量的并网逆变器,提出了基于广义哈密顿作用量的同调判别标准,依据能量守恒得到了实用化同调判据,且针对同步发电机,验证了基于广义哈密顿作用量的同调判据与传统基于功角的同调判据的相容性,并总结提出了通用同调判别方法。以7台并联逆变器作为算例,基于实用化同调判据建立了其同调等值模型,通过比较详细模型和等值模型的动态特性验证了同调判据的有效性。

基于幅相运动方程的风机机电暂态特性的建模与优化

随着风电在电力系统中的渗透率不断提高,风机的暂态特性对系统(同步发电机)暂态功角稳定的影响显著加深。因此,认识、优化风机的暂态特性具有重要意义。目前对风机暂态特性的认识优化大多是基于详细时域模型的数值仿真研究,缺乏基于物理化模型的机理研究。该文应用幅相运动方程建模方法,建立风机机电暂态幅相运动方程模型,并基于此物理化模型分析以GE风机为代表的现有风机机电暂态特性的物理特征,指出存在的不足并予以优化。该文的研究表明,以GE风机为代表的现有风机在机电尺度上只响应系统电压幅值动态,不响应系统电压相位动态。而只响应电压幅值动态限制了风机能够提供给同步发电机的暂态功角稳定支撑。该文通过将系统频率/相位动态引入到风机限流控制中,使风机同时响应系统电压幅值和相位动态,进一步增强了风机对同步发电机的暂态功角稳定支撑,提高了系统的暂态功角稳定性。

电力电子化电力系统暂态稳定分析新框架:基于耦合因子的非线性解耦方法

不同于以同步机为主导的传统电力系统,电力电子化电力系统的惯性较低。当受到扰动时系统的状态变量极易发生较大范围的变化,使得系统面临着严重的暂态稳定性问题。然而,长期以来,对于电力电子化电力系统的暂态稳定性缺乏有效的分析工具。针对此问题,提出基于耦合因子的非线性解耦方法来进行暂态稳定分析。所提基于耦合因子的非线性解耦方法充分借鉴解耦思路,将原高阶非线性系统近似地转化为一系列解耦的一阶二次和二阶二次子系统。在解耦空间中,针对这些低阶二次非线性子系统,可以利用现有的分析工具对其进行详细地暂态稳定分析,从而可以间接地反映原系统的暂态稳定性。为有效指导非线性解耦,相应地提出耦合因子的概念,用以评价系统状态变量之间的耦合程度,便于最终确立解耦空间中的系统结构。基于耦合因子的非线性解耦方法普适性广,对所研究的电力电子化电力系统结构无特殊要求,以期成为一种新的暂态稳定分析框架。最后,通过一个直流微电网算例,对所提基于耦合因子的非线性解耦方法的有效性进行验证。

航空航天特色“电力系统分析”课程建设探索

“电力系统分析”是电气工程的专业基础课,旨在让学生了解电力工业和系统现状,掌握学科的技术内涵。近年来电力系统电力电子化特征逐渐突出,“电力系统分析”课程需与时俱进。本文以南京航空航天大学为例,阐述了课程的设置现状,并结合电力系统发展趋势,以航空航天电气系统为支撑点,提出航空航天特色的“电力系统分析”教学体系构建思路和措施,可服务于专业人才培养和一流学科建设。

电网宽频振荡实时监测技术方案

大量电力电子设备接入电网导致电网振荡频繁发生并使其逐步向宽频域振荡发展。首先,分析了广域测量系统监测技术在振荡监测存在的问题和局限,讨论了现有间谐波测量算法存在的不足,提出了电网宽频振荡实时监测技术方案。然后,论述了振荡实时监测的总体架构和关键技术,从高频采集及滤波、宽频信号分类处理分析、振荡告警及长录波、站域存储与分析和信息传输等方面对宽频振荡实时监测的关键环节进行了分析。最后,对宽频振荡实时测量的效果进行了仿真验证,验证了所提方案的可行性,并对其工程实施方案进行了论述。

英国“8·9”大停电事故振荡事件分析及思考

2019年8月9日,英国电网发生大停电事故,造成英国伦敦在内的部分城市停电,影响人口100万左右。文中对该事故进行总结分析,为我国电网的安全稳定运行提供借鉴和参考。首先,对此次新能源电厂发生的振荡事件进行分析,总结此次振荡事件所呈现的典型特征,梳理其存在的遗留问题;其次,对以该事件为代表的一系列由新能源厂站触发的振荡事件进行思考,论述新能源大规模并网后电网振荡呈现的新特点;最后,针对现有测量技术在振荡监测上存在的不足,提出采用宽频测量技术实现振荡实时监测,并给出具体的工程实施方案,为电力电子化电网振荡的实时监测提供参考。

高比例电力电子电力系统稳定性的统一性判据研究(一):场站稳定判据

新版《电力系统安全稳定导则》明确提出“新能源场站短路比应达到合理水平”,但目前仍欠缺具体的评价方法和标准,无法有效量化电力电子电源集群接入交流电网的稳定程度。针对上述问题,提出一种面向电力电子电源场站稳定性分析的统一性稳定判据。首先,论述了动态统一性指标的定义和指标特性,并基于鲁棒控制理论和多变量频域控制理论提出并网系统的稳定性判据,实现了电磁尺度的稳定性风险精确度量;其次,在忽略电力电子电源、电网及其控制系统动态特性的条件下,将动态统一性指标退化为基于机电尺度相量模型的静态统一性指标,实现了高效率的稳定性风险初筛;再次,构造用于场站稳定性风险初筛和精确度量的两维统一性稳定指标,提升了场站稳定性评估的效率和准确率。最后,基于我国西北地区的案例验证表明,该文提出的统一性稳定判据可有效量化场站并网系统的安全稳定性。

高比例电力电子电力系统稳定性的统一性判据研究(二):区域稳定判据

电力电子电源场站与交流电力系统及其他电力电子电源场站间的复杂交互作用,使得基于单机和单场站思想的稳定性评估方法存在失效风险,引发了电网稳定运行的安全隐患。针对上述问题,提出一种对高比例电力电子电力系统中区域稳定性评估的统一性稳定判据。首先,该文提出区域动态统一性稳定指标(unification stability index of dynamic state,USI_(1))和区域静态统一性稳定指标(unification stability index of static state,USI_(2))的定义与计算方法,并详细论述了其理论依据与物理含义;其次,提出基于相对增益矩阵(relative gain array,RGA)理论和统一性稳定指标的高比例电力电子电力系统稳定性评估方法;再次,提出由USI_(1)、USI_(2)和R_(RGA)组成的稳定性评估指标体系,构建了从场站扩展到区域、进而延伸到电力系统的稳定性评估框架;最后,实例验证了该文方法在高比例电力电子电力系统稳定性评估中的有效性。

电力电子化配电台区形态发展以及运行控制技术综述

随着配电台区侧新基建、新能源发展和直流负荷用电需求日益增长,配电台区呈现电力电子化发展趋势,对配电台区形态发展和运行控制带来新的挑战。该文主要围绕电力电子化配电台区结构形态、低压互联形态、经济调度、电能质量治理、稳定分析与控制、故障快速保护等6个方面,对国外内发展情况、技术特点以及应用场景进行综述,最后对未来重点研究方向进行了展望。

电力系统宽频测量装置技术规范解读及应用展望

高比例新能源和高比例电力电子设备的接入,产生了大量间谐波信号,并引发一系列宽频域振荡事件,严重影响了电网的运行安全,现有测量技术局限于工频信号测量,无法实时监测宽频振荡等间谐波信号。文中以《电力系统宽频测量装置技术规范》发布为契机,介绍了宽频测量技术的提出背景、装置功能定位及相关术语定义,从宽频信号的采样频率、数据测量、宽频振荡监测、数据传输以及数据录波等方面讨论了宽频测量装置的功能和性能,论述了装置工程应用的方案、应用场景和应用展望,总结了标准制定中存在的问题及下一步研究方向,为宽频测量装置的工程应用提供指导和参考。

励磁系统控制关键技术与未来展望

我国电力系统正向着高比例可再生能源和高比例电力电子设备的“双高”方向发展,电源和电网结构均发生重大变化。发电机励磁系统控制技术对保证电力系统安全、稳定运行意义重大,其性能提升是应对上述挑战最经济有效的技术手段之一。回顾了励磁系统控制的发展历史,提出了“双高”系统带来的技术挑战,并进一步提出了挖掘并提升励磁系统涉网性能的关键技术,包括励磁控制装置实验室涉网性能检测、现场试验测试与评价、励磁系统控制精细化仿真建模、附加稳定控制、辅助控制策略优化等。最后,对未来励磁系统控制技术的研究热点与发展方向进行了展望。