Added Value of Power Control in Improving the Integration of Wind Turbines in Weak Grid Conditions

For economical reasons, wind turbine systems must be located in favourable sites generating a higher pro- ductivity. These are often located in areas with weak electric grid infrastructures. The constraints related to this type of grids limit the penetration levels of wind energy. These constraints are mainly related to power quality in the grid as well as the economical aspects of the project. In this study, we take into account the slow voltage variations and the flicker phenomenon. The models used are based on the development of a set of relations derived from engineering knowledge related to both technical and economical points of view. The maximal penetration level of a fixed speed wind turbine system is determined for a given grid. The power control has been investigated to improve wind turbine system integration. Obtained results show the necessity to adapt technological choices to the requirements of weaker grids. Penetration levels and wind turbine cost may be greatly improved using variable speed systems.

Coordinated voltage control of renewable energy power plants in weak sending-end power grid

The utilization of renewable energy in sending-end power grids is increasing rapidly,which brings difficulties to voltage control.This paper proposes a coordinated voltage control strategy based on model predictive control(MPC)for the renewable energy power plants of wind and solar power connected to a weak sending-end power grid(WSPG).Wind turbine generators(WTGs),photovoltaic arrays(PVAs),and a static synchronous compensator are coordinated to maintain voltage within a feasible range during operation.This results in the full use of the reactive power capability of WTGs and PVAs.In addition,the impact of the active power outputs of WTGs and PVAs on voltage control are considered because of the high R/X ratio of a collector system.An analytical method is used for calculating sensitivity coefficients to improve computation efficiency.A renewable energy power plant with 80 WTGs and 20 PVAs connected to a WSPG is used to verify the proposed voltage control strategy.Case studies show that the coordinated voltage control strategy can achieve good voltage control performance,which improves the voltage quality of the entire power plant.

Robust Dichotomy Solution-Based Model Predictive Control for the Grid-Connected Inverters with Disturbance Observer

This paper proposes a robust dichotomy-based model predictive control(DS-MPC)with a fixed switching frequency for the grid-connected inverter(GCI).The proposed fast dichotomy algorithm can select and deduce the optimal voltage vector dynamically through the space vector plane.Therefore,the proposed DS-MPC strategy could ensure dynamic performance and steady-state performance as well.Also,the current control robustness can be improved through DS-MPC with disturbance observer(DO)based on the extended Kalman filter(EKF).The novelty of this control is that the current control with fast dynamic response can be realized in the weak grid,even if the grid voltages are greatly distorted.Simulation and hardware experiments on the weak grid validate the effectiveness of the proposed DS-MPC with the EKF observer approach.

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。

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。

弱电网下光伏并网系统锁相环参数自适应控制

针对弱电网下PLL(phase-looked loop,PLL)会使并网逆变器的稳定性下降问题,提出一种锁相环带宽自适应控制策略来实现锁相环参数依据电网实时阻抗值来获得最优的控制参数,保证系统最佳控制性能和稳定运行,从而提升跟网型逆变器在弱电网下的对电网阻抗的适应能力。利用PSCAD/EMTDC进行仿真验证,仿真结果证明自适应控制策略正确、有效。

Application of Wind Generation on Weak Networks Considering Potential System Limitations Due to Transients and Faults

Limited resources are available on the application of wind generation systems interconnected to weak powemetworks. With the need to further interface DG （distributed generation） including WG （wind generation） to weak networks, it is necessary to establish a means of determining what is the most efficient quantity of WG that can be applied in order to maintain stability in the network. This paper establishes a concept that can be applied to weak networks. The aim is to estimate how much WG can be installed on weak networks as well as establishing characteristic responses to generation loss without and with faulted conditions. The main contribution is a thorough understanding of weak network limitation proved to be the most critical parameter in these calculations.

A Practical Approach Based on Equal Area Criteria for Stability Analysis of Weak Networks with Wind Generation Penetration

The performance of DFIG-based wind generation systems that interconnected to solid networks is well understood and prevalent in Europe and North America. However, the application of these renewable generating stations to weak network has been examined in very limited occasions. Weak networks have a range of limitations from system capacities to CFCT restrictions which would need to be well understood prior to wind energy integration. Of particular interest would be how much wind generation could be integrated into a weak network prior to increasing voltage and frequency stability issues brought about by penetration issues. This paper introduces a simple and practical approach based on the equal area criteria to investigate the stability of weak networks. Simulation results that are presented to show the proposed approach is a viable preliminary assessment tool to determine system stability on weak networks with wind power penetration.

计及锁相环非线性特性的跟网型逆变器暂态稳定性分析

锁相环作为跟网型逆变器实现相位同步的关键环节,由于其本身所固有的非线性特性,在弱电网情况下,传统小信号模型可能存在不能准确预测锁相环暂态稳定性的问题。为保证受扰后锁相环的稳定运行,提出了一种基于非线性数学模型的稳定性分析方法。首先,根据锁相环工作原理,建立其二阶非线性微分方程,通过相平面法对锁相环输出特性进行定性分析,评估不同参数对锁相环暂态特性的影响;然后,基于等面积法则分析锁相环暂态失稳机理,鉴于传统等面积法则可能导致稳定性的误判,采用非线性动力学多尺度法对锁相环受扰后的暂态时域表达式进行求解,明确锁相环暂态稳定边界;最后,通过Matlab仿真和RT⁃LAB半实物平台验证了所得解析解和锁相环暂态稳定域的准确性,为弱电网条件下锁相环控制参数及电路参数选取提供一定参考。

开环同步型单相并网逆变器小干扰建模与弱电网下稳定性分析

单相并网逆变器中,多采用锁相环(phase-lockedloop,PLL)型闭环同步方法,但PLL引入的低频段负阻特性不利于系统稳定性,在电网阻抗较大时并网逆变器易发生严重失稳。对此,国内外广泛开展了PLL优化或替代技术的研究。其中,开环同步(open-loop synchronization,OLS)方法的无反馈结构使得其自身是完全稳定的,近年来得到了较多关注。然而,OLS结构中非线性特性明显,如何获得准确的小干扰线性化模型仍非常困难,OLS型单相并网逆变器在弱电网下的稳定性仍不清晰。鉴于此,重点研究开环同步型单相并网逆变器小干扰建模与稳定性。借鉴谐波线性化思想,提出OLS的线性化建模方法,建立开环同步型单相并网逆变器的输出阻抗模型。在此基础上,讨论OLS型单相并网逆变器的鲁棒性。较大电网阻抗下,采用OLS的开环同步型单相并网逆变器系统仍有良好的稳定性。通过仿真和对比实验验证上述模型的准确性以及弱电网下OLS的适应性。

弱电网下提升并网逆变器无源性的网侧有源阻尼策略

为抑制“双高”背景下新型电力系统中日趋复杂的电网背景谐波,并网系统通常需要在已有控制方案基础上附加PCC节点电压前馈策略。而现有研究表明,在弱电网下由于并网逆变器与电网阻抗之间的相互作用,该策略会降低并网逆变器等效输出阻抗在中低频段内的无源性,易引发并网系统产生宽频谐振问题。针对这一问题,通过建立弱电网下并网逆变器系统等效输出阻抗模型剖析了传统PCC节点电压前馈策略在抑制电网背景谐波方面的优点及固有缺陷;并在此基础上基于无源性理论提出了一种新型网侧有源阻尼策略,该策略通过在电容支路增加有源补偿装置与主逆变器附加控制相结合,不仅实现了并网逆变器系统等效输出阻抗在宽频段范围内的充分无源,且能有效抑制电网背景谐波,提高并网系统在弱电网下的稳定性与适应性。通过搭建系统仿真模型对所提控制策略在并网逆变器接入弱电网时的有效性进行了验证。

基于电容电压全前馈的并网逆变器高鲁棒性稳定控制策略

虽然并网逆变器采用电容电压全前馈控制策略,能够有效抑制电网电压背景谐波对并网电流的影响。但是在弱电网工况环境下,由于锁相环、数字控制延时等因素与电网阻抗相互耦合,导致逆变器稳定较差、在阻抗交截频域中呈现弱无源性,易引发系统谐波振荡甚至失稳问题。鉴于此,该文借助无源性理论和阻抗分析方法,深度揭示了影响系统各频带阻抗特性的主导因素,进而提出了一种基于电容电压全前馈的并网逆变器高鲁棒性稳定控制策略。理论分析表明:所提控制策略不仅能有效地拓宽系统输出阻抗稳定范围,还可以保证改进后的系统输出阻抗具有较高的幅值增益。最后,通过仿真和实验验证了所提控制策略的有效性。

基于双二阶滤波器的LCL型并网逆变器延时补偿方法

为了抑制LCL型滤波器的谐振尖峰,电容电流反馈有源阻尼被广泛应用于LCL型并网逆变器中。由于数字控制延时带来的不利影响,电容电流反馈有源阻尼的阻尼性能被严重削弱。负阻尼区域出现在f_(s)/6到f_(s)/2之间,减弱了并网逆变器的稳定性和对电网阻抗变化下的鲁棒性。在电容电流反馈通道上插入一个双二阶滤波器来补偿数字控制延时带来的相位滞后,正阻尼范围可以扩展到f_(s)/3,从而实现了对电网阻抗变化的高鲁棒性。选择了合适的离散化方法,分析了补偿后的系统稳定性。提出了一个详细的闭环参数设计流程,以获得良好的控制性能。最后,实验结果验证所提方法的有效性和参数设计流程的可行性。

基于储能型铁路功率调节器的弱牵引网电压越限抑制措施研究

针对弱电网条件下,牵引网压越限导致的机车不能正常运行问题,采用一种储能型(Energy storage,ES)模块化多电平(Modular multilevel converter,MMC)的铁路功率调节器(Railway power conditioner,RPC),即ES-MMC-RPC,来抑制网压越限。较传统的系统扩容、电容器组的无功补偿电压治理方案,在分区所加装了ES-MMC-RPC,较传统的跟网型电流补偿控制,装置采用了动态性能更好的构网型或三维度支撑控制进行两侧供电臂的功率平衡;装置中的储能也采用了构网型控制,以进一步支撑电压。最后,提出在弱牵引网条件下ES-MMC-RPC装置的三层能量管理策略,通过有功平衡、装置自身及储能的功率支撑对网压进行三重支撑。经仿真验证,改进的构网型控制的ES-MMC-RPC能确保弱电网地区的牵引网压的稳定。

新能源并网逆变器的阻尼互济控制策略

光伏与风电换流站近区并网发电可在一定程度上实现新能源随机波动情况下的电能互补。然而,新能源密集汇入电网易触发宽频振荡风险。目前,常采用逆变器阻抗重塑法抑制电压源逆变器–电网耦合系统宽频振荡现象,但该方法对高频谐振抑制有限。对此,提出一种新能源逆变器的阻尼互济控制策略,利用光伏和风电在时间尺度上的互补特征,将光伏和风电逆变器在间歇阶段重塑为阻抗适配装置,在风光能量互补的同时,实现了阻尼互济,综合抑制新能源并网发电引发的宽频振荡现象。最后,基于RT-Box实验平台验证了所提控制策略的有效性。

构网型控制改善跟网型变流器次/超同步振荡稳定性的机理和特性分析

构网型(grid-forming,GFM)并网变流器具有良好的弱电网稳定性,同时能够改善跟网型变流器的次/超同步振荡稳定性。为明确GFM控制改善振荡稳定性的机理和特性,首先推导了GFM变流器电路特性与每个控制环节的关系,并分别从变流器自身电路特性、变流器并网系统整体阻抗特性角度揭示了GFM控制改善振荡稳定性的电路机理。然后,基于阻抗模型定量分析了GFM变流器占比提升对系统振荡频率、阻尼的影响。最后,利用电磁暂态仿真进行了验证。结果表明:GFM变流器在无功控制环节、电压外环作用下表现为“正电阻”,能够削弱跟网型变流器控制环节引入的负阻尼特性,进而改善系统次/超同步振荡稳定性;此外,GFM变流器占比提升能够显著改善系统振荡阻尼,但对振荡频率影响较小。

计及锁相环动态的单相并网逆变器建模及稳定性研究综述

随着可再生能源渗透率的提高,电网呈现出高电网阻抗的弱电网甚至极弱电网特征,锁相环与电网阻抗交互作用将恶化跟网型逆变器低频稳定性。近年来,诸多文献针对单相跟网型逆变器中的低频振荡问题进行了研究,但缺乏对现有成果系统性地梳理和总结,难以明确进一步的研究重点。为此,该文首先梳理和评述现有计及锁相环影响的逆变器建模及稳定性分析方法,直观地阐述锁相环引起的负阻效应对系统低频稳定性的影响机制,并在此基础上,从改进电流控制环和锁相环角度,系统性地归纳和分析现有各种低频鲁棒性提高方法。最后,总结现有研究在稳定性分析及鲁棒性改进上的不足及研究关键点和难点,指出进一步的研究方向。

双馈风电场无串补并网振荡场景及关键影响因素研究

双馈风电场经串补线路送出系统存在次同步振荡风险的问题已为共知并得到广泛深入研究,然而实际系统中也发生过双馈风电场经无串补线路送出的次超同步振荡问题,目前针对这一问题的报道和研究很少。因此,采用特征模式分析法结合电磁暂态仿真,针对双馈风电无串补接入电网的次同步振荡问题开展研究,分析了系统主导失稳振荡模式以及运行条件和风电控制参数的影响,厘清了无串补并网系统中双馈风电网侧变流器内环电流控制主导失稳,锁相控制主导失稳,以及转子侧变流器内环电流控制主导失稳等3种次超同步振荡场景,并与双馈经串补送出系统振荡场景进行了对比分析,较为全面地揭示了双馈风电并网系统振荡的不同场景及机理,可为实际工程双馈风电场并网振荡问题分析提供参考。

一种提高变流器弱电网适应能力的虚拟阻抗控制策略

弱电网下较大的电网等值电感可能引起并网变流器失稳,为此,首先,建立了并网变流器的阻抗模型,根据阻抗比判据分析了电网等值电感对并网变流器稳定性的影响;其次,针对并网变流器对感性电网阻抗适应能力较低的问题,提出了一种基于带通滤波的虚拟阻抗控制策略,并研究了虚拟电阻值对变流器弱电网适应能力的影响,给出了虚拟电阻的选取原则;最后,搭建了系统仿真模型,仿真结果验证了文中理论分析的正确性和控制策略的有效性。

弱电网下新能源逆变器自同步电压源低电压穿越控制方法

新能源并网逆变器的自同步电压源控制技术对构建以新能源为主体的新型电力系统具有重大意义,然而当弱电网电压发生跌落时,传统的自同步控制方法在低电压穿越(low voltage ride through,LVRT)过程中会出现由于电网阻抗大、相角差大等引起的瞬态电流冲击大、弱电网电压无法维持稳定、电压-电流控制能力须相互平衡等一系列问题。推导了低电压跌落时弱电网电压矢量与弱电网阻抗、并网电流之间的关系以及影响因素,进而提出了一种基于暂稳态阻抗重塑的多状态跟随自同步电压源LVRT控制方法,通过稳态阻抗来平衡电压和电流之间的控制能力;通过暂态阻抗重塑保证了整个过程的电压与电流瞬态控制与平滑过渡能力。为了进一步保证弱网下跌落和恢复过渡过程的平滑切换与稳定运行,提出了基于多状态跟随的暂态控制策略,优先发出无功支撑电网电压,并补偿相角和幅值突变带来的瞬态过电压和过电流冲击,帮助电网电压平稳过渡。最后,在Matlab/Simulink中验证了所提控制方法的正确性与有效性。