弱电网下VSC控制环路对直流电压稳定性的影响分析

为研究弱电网下电压源型变换器(voltage source converter,VSC)控制环路对直流电压控制稳定性的影响,首先建立了弱电网下VSC直流电压时间尺度小信号模型,基于动力学特性分析法用阻尼分量和恢复分量表征VSC直流电压控制的稳定性。然后研究了不同电网强度和不同控制带宽下VSC锁相环和交流电压控制环对阻尼分量和恢复分量的影响规律,揭示了锁相控制与交流电压控制对直流电压稳定性的影响机理。最后,在Matlab/Simulink中搭建详细的时域仿真模型,对稳定性分析结果进行了验证。研究结果表明,弱电网下锁相控制与交流电压控制对直流电压控制起相位滞后的作用,从而产生负的附加阻尼分量,减弱了直流电压控制的稳定性。     

全功率变换风电机组的电压源控制(一)：控制架构与弱电网运行稳定性分析

针对弱电网缺乏频率支撑能力以及引发接入风电机组振荡失稳的问题,该文给出全功率风电机组的一种电压源控制方法。网侧变换器根据直流侧电压的动态直接实现对电网的自主同步,省略了锁相环;机侧控制环路中附加惯量传递控制环路实现风电机组对电网的惯量响应功能。特征值分析结果表明,电压源控制下的全功率风电机组可在短路比为2的弱电网下稳定运行,加入惯量传递控制会降低风电机组弱电网运行的稳定性。为了便于致稳控制策略的设计,采用"复功率系数法",从阻尼特性的角度揭示附加惯量传递控制降低风电机组弱电网运行稳定裕度的机理。在此基础上,分别提出在机侧变换器与网侧变换器增加阻尼的致稳控制策略,使电压源控制的全功率风电机组能够在短路比为2的弱电网下稳定运行,且同时具备较强的惯量响应能力。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台,验证了控制方法的可行性以及理论分析的正确性。     

弱电网下双馈风机并网系统的次同步振荡研究

目前,大规模风电需经过多级升压变并网,并通过长距离输电线路实现电力外送,而由长电气距离造成的电网强度降低会对风电并网系统的稳定性造成威胁。现有对弱电网下双馈风机并网系统的稳定性研究不多,更鲜有考虑频率支撑控制的影响。鉴于此,采用状态空间分析法,研究了弱电网下考虑锁相环与频率支撑控制的双馈风机并网系统的次同步振荡问题。首先,推导了双馈风机并网系统的全维状态空间模型。在此基础上,通过特征模态分析以及参与因子分析,发现双馈风机在弱电网下存在由锁相环主导的次同步振荡威胁。最后,进一步分析了锁相环动态特性、基于锁相环测频的附加频率支撑控制以及频率测量环节的时延对次同步振荡特性的影响,并通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真验证了状态空间分析结果的正确性。     

序阻抗视角下虚拟同步发电机与传统并网逆变器的稳定性对比分析

传统新能源并网逆变器接入弱电网易发生谐波振荡等交互稳定性问题。该文采用谐波线性化方法建立虚拟同步发电机的小信号序阻抗模型,对比分析虚拟同步发电机和传统并网逆变器的序阻抗特性。传统并网逆变器的序阻抗在中频段显容性且阻抗幅值较大;而虚拟同步发电机的序阻抗基本呈感性且阻抗幅值较小,与电网的阻抗特性基本一致。基于序阻抗模型和奈奎斯特稳定判据分析电网强弱、逆变器并网台数和锁相环带宽对虚拟同步发电机和传统并网逆变器并网系统稳定性的影响。稳定性分析结果表明,在弱电网下或者高渗透率新能源发电下,传统并网逆变器容易失稳,而VSG并网系统依旧可以稳定运行且无锁相环的约束。因此,从系统稳定性的角度来说,VSG比传统并网逆变器更适合应用于弱电网下或者高渗透率新能源发电中。最后,通过实验验证该文分析的正确性。     

双馈风机与同步机小扰动功角互作用机理分析

研究风机与同步机动态间的交互作用机理对于揭示风电并网对电力系统小扰动功角稳定特性的影响,指导含大规模风电的电力系统稳定控制具有重要的理论价值和现实意义。该文针对单双馈风机单同步机无穷大系统,从动态响应互作用的角度分析双馈风机与同步机的交互作用机理。首先建立了同步机功角与双馈风机锁相环输出动态的小扰动分析模型。其次,基于小扰动分析模型解的特性,分析了不同锁相环输出动态对同步机功角动态响应的影响,以及同步机功角振荡对双馈风机锁相环输出动态的影响,揭示了双馈风机锁相环动态与同步机功角动态间的交互作用机理。研究结果表明,双馈风机锁相环和同步机动态间的交互影响与锁相环模态和同步机功角模态有关,当两模态振荡频率接近时,两模态阻尼特性将发生变化。最后,通过仿真与模态分析验证了该机理研究的正确性。     

基于并网电流谐波微分的有源阻尼策略

采用有源阻尼抑制弱电网下并网变流器系统失稳振荡的方法近年来受到广泛关注。已有的直接以公共耦合点（PCC）电压为反馈量的有源阻尼方法可有效抑制系统的失稳振荡，但会削弱系统对电网背景谐波电压扰动的抑制能力，进而影响到并网电流质量。为此，该文提出一种基于并网电流谐波微分的有源阻尼策略，通过微分运算将系统失稳振荡引发的谐振电流转换成PCC处的谐振电压，避免了将电网背景谐波电压扰动引入到并网电流参考值，可兼顾弱电网下并网变流器系统稳定控制和高质量并网电流两方面需要。仿真和实验结果验证了该文中理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。     

基于匹配控制的构网型直驱风电场次同步振荡机理与特性研究

近年来,具有低时延和惯量同步等优势的匹配控制成为主流构网型控制方案之一,但基于匹配控制的构网型直驱风电场的次同步振荡机理及特性尚不明确。因此,该文建立构网型直驱风电场并网系统的小信号模型,通过特征值法分析了系统的振荡模态及参与因子,并借鉴同步机中阻尼转矩法分析构网型直驱风电场的次同步振荡机理。结果表明,构网型直驱风电场中匹配控制主导的振荡模态在强电网下呈现负阻尼特性,系统存在次同步振荡的风险,但匹配控制振荡模态相较于跟网型控制的锁相环振荡模态具有更好的弱电网适应能力;匹配控制振荡模态存在类似于同步机转子运动方程的动态特性,使得构网型直驱风电场可能发生弱阻尼振荡;减小交流电网强度或无功控制器积分系数,增大构网型直驱风机台数或无功控制器比例系数,能够增大匹配控制振荡模态的阻尼,降低系统次同步振荡风险。     

考虑PLL和接入电网强度影响的双馈风机小干扰稳定性分析与控制

国内外风电事故表明:风电经远距离线路外送时,系统容易在发生扰动的过程中出现频率为几到几十Hz的功率振荡现象,且其振荡原因难以用传统同步发电机小扰动振荡的机理完全解释。考虑到风电机组主要通过锁相环与电网之间实现功率耦合,从而锁相环动态特性将会影响系统小干扰稳定水平。该文首先建立了含有锁相环动态特性的双馈风电机组–无穷大系统的动态模型;采用特征值分析研究了风机不同运行状态下其接入电网强度变化对风电系统中各个振荡模式的影响规律;然后通过复转矩分析理论解释了风电系统的失稳机理,研究结果表明:锁相环振荡是导致风电系统并入弱电网系统发生小扰动失稳的主要原因。最后,提出一种基于相位补偿的风电机组阻尼控制器来抑制该振荡现象,仿真验证了其有效性。     

一种应用于直流微电网并网变换器的双电流反馈控制策略

针对弱电网时谐振频率发生变化导致LCL型并网变换器稳定裕度降低的问题,提出一种应用于直流微电网并网变换器的双电流反馈控制策略.根据变换器交直流两侧功率守恒以及传统下垂控制方程,建立直流母线电压与变换器侧电流的二次函数关系,简化直流母线电压控制方式,减少控制器参数设计;在变换器侧电流反馈控制内环加入并网电流反馈有源阻尼,分析其阻尼等效特性,提高弱电网下的谐振抑制效果.仿真与实验结果表明该控制策略能够实现直流侧母线电压的稳定控制以及交流侧并网电流的谐波优化.     

基于电路等效的并网逆变器失稳分析与稳定控制

以并网逆变器为功率接口的新能源发电系统在弱电网条件下易发生振荡失稳问题。该文将并网逆变器的控制回路可视化为电路元件组成的虚拟阻抗,基于该电路模型分析了弱电网条件下电流内环与锁相环交互作用导致并网逆变器振荡失稳的机理,在此基础上,提出了基于有源阻尼的稳定控制设计方法,并对不同有源阻尼控制的电路特性以及稳定性提升能力进行了对比分析。研究结果表明,针对锁相环引入负电阻造成的振荡失稳问题,阻抗-高通滤波器型有源阻尼控制策略具有更优的稳定性提升能力。最后通过PSCAD/EMTDC仿真和远宽StarSim控制器硬件在环实验对比了不同有源阻尼控制策略的振荡抑制效果,并验证了阻抗-高通滤波器型有源阻尼控制的动态性能。结果表明,所设计的稳定控制能够在200 ms内有效抑制系统振荡,并且可实现在短路比为1的极弱电网条件下稳定运行。     

Steady-state Analysis of Voltage Source Converter (VSC) Connected to Weak AC System and Optimal Control Strategies

The power transfer limitation of voltage source converter (VSC) connected to weak AC system is restricted by three main elements: steady-state characteristic, small signal stability, and transient stability. In this paper, according to steady-state analysis, constraint condition and mathematical model of VSC system are established to figure out the appropriate operating point. A novel outer-loop control diagram is proposed. Meanwhile, a small signal model of VSC system is established. Based on participation factor analysis, the dynamic performance of phase-locked loop (PLL) have significant impacts on the system stability assessment. Therefore, an advanced PLL control appending damping factor is proposed. Simulations validated the following conclusions: 1) The optimal AC voltage of point of common coupling is associated with the equivalent AC system voltage, impedance, and the current limitation. The novel outer-loop controller can enhance the power transfer limitations. 2) The small signal stability of VSC can be enhanced by appending an alternative damping factor control on PLL. The advanced PLL has robustness which can endure a great active power disturbance in AC system. Simulations and calculations have been performed to validate the findings.     

VSC连接弱交流电网的小扰动特性

主要研究电压源型换流器（voltage source converter,VSC）在弱交流电网,即低短路比电网的小扰动 特性。首先基于VSC的稳态模型,研究VSC在弱交流电网下的稳态运行特性;之后推导了包含外交流电网、VSC、 由内外环控制器构成的VSC传统矢量控制器以及锁相环 （phase locked loop,PLL）在内的VSC线性化模型;最 后研究了VSC传统矢量控制器中的内环控制器、外环控制器以及锁相环对VSC在弱交流电网中的稳定性能影响。 研究发现传统矢量控制器中的内环控制器不会对VSC在弱交流电网中的稳定性能有影响,VSC在弱交流系统中更 适宜于逆变运行模式,交流系统短路比越低,保证VSC系统稳定运行的锁相环的增益系数最大取值将越小。结果 表明在弱交流电网下,VSC控制系统的参数需要合理选取以保证基于VSC的高压直流输电系统的稳定运行。     

Transient synchronous stability analysis and enhancement control strategy of a PLL-based VSC system during asymmetric grid faults

The stability of a voltage source converters (VSC) system based on phase-locked loop (PLL) is very important issue during asymmetric grid faults. This paper establishes a transient synchronous stability model of a dual-sequence PLL-based VSC system during low voltage ride-through by referring to the equivalent rotor swing equation of synchronous generators. Based on the model, the synchronization characteristics of the VSC system under asymmetric grid faults are described, and the interaction mechanisms, as well as the transient instability phenomena of positive and negative sequence PLL during asymmetric faults are explained. Using the equal area criterion, the infuences of sequence control switching action, detection delay, and interaction between the positive and negative sequence PLL on the transient synchronous stability of the VSC system are analyzed, respectively. In addition, a transient stability assessment criterion based on the critical fault clearance angle and time and an enhancement control strategy based on the improved positive and negative sequence PLL are proposed. Finally, the analytical results are validated through simulation and experiments.     

基于虚拟阻尼指标的柔性直流电网小信号稳定性分析

近年来柔性直流电网得到了广泛关注和快速发展,柔性直流电网的稳定是保证交直流混联电力系统正常运行的重要前提。文中针对柔性直流电网,首先建立了不同控制方法下电压源型换流站和柔性直流电网的线性化模型,构建了以柔性直流电网中直流电压振荡模式为分析目标的柔性直流电网线性化互联模型。基于此,提出了一种物理意义更加明确的虚拟阻尼分析法,并对其概念和原理进行了介绍。然后,提出了能够评估电压源型换流站控制对柔性直流电网稳定性影响大小的虚拟阻尼指标,定量刻画了不同控制方法下电压源型换流站对柔性直流电网中直流电压振荡模式的影响。进一步,基于该虚拟阻尼指标,提出了适用于柔性直流电网中换流站控制参数的协调优化方法,提升了直流电网的小信号稳定性。最后,以一个三端柔性直流电网为例,详细展示了电压源型换流站虚拟阻尼的计算方法,并在包含下垂控制的复杂十端柔性直流电网中验证了多换流站参数优化方法的有效性及其相比于传统参数优化方法的优势。     

弱电网下电压源型变换器静态稳定性分析

电压源型变换器(Voltage Source Converter, VSC)作为新能源发电的并网接口广泛地应用于电力系统。以单台VSC经线路阻抗并入无穷大电网为例,推导弱电网下VSC功率输出特性。基于VSC系统阻尼转矩模型得出阻尼系数直接决定系统静态稳定,同步系数通过影响阻尼功率相位间接影响系统稳定。根据阻尼功率与同步功率之间的相位关系解释了VSC系统静态失稳机理,并且利用Bode图研究了系统参数与运行工况对系统稳定性影响。结果表明,电流环比例增益越低、锁相环带宽越窄或无功功率运行不合理,VSC系统将面临静态失稳风险。同时在Matlab/Simulink中搭建VSC并入弱电网模型,验证了理论分析的正确性。     

电压源变换器接入电网的小扰动稳定机理分析

研究了基于矢量控制的电压源变换器(VSC)接入电网的小扰动稳定问题。基于VSC接入无穷大系统的详细模型,针对不同控制模式,分别对平衡点的存在性、稳定性进行了分析,系统地总结了VSC小扰动失稳的不同机理。系统中发生鞍结点分岔会导致平衡点消失而失稳,且存在以下几种机理：输出电流过大会导致锁相环(PLL)失去平衡点,对应PLL失去同步,单独的PLL失去同步可能发生在切除外环控制、采用内环定电流控制的情况下;输出有功过大会导致功率外环失去平衡点,当无功外环采用定无功功率、定交流电压控制时,分别对应电网的静态电压、功角失稳,而且失稳后电流增大一般也会引发PLL失去同步。在平衡点存在的情况下,系统振荡模式中包含低频振荡模式和次同步振荡模式,系统也可能发生Hopf分岔而出现振荡失稳。低频振荡模式主要由外环控制主导,次同步振荡模式则由PLL、电流环和线路动态主导。平衡点的存在性不受VSC控制参数的影响,只受网络参数、VSC工况的影响,而平衡点的稳定性和VSC控制参数有关。     

交直流配电网小信号模型和直流侧低频振荡分析

交直流配电网发展迅猛、应用广泛,其稳定性是行业关注的焦点。文中针对某交直流配电网工程调试阶段出现的直流侧低频振荡现象,开展稳定性分析。文中首先在小信号建模基础上,采用特征值分析方法,分析电网强度、功率水平、控制参数3种因素对低频振荡的影响。随后,文中提出改变控制器参数和增加附加控制器的振荡抑制措施。理论和仿真分析表明:弱电网会影响电压源型变换器(VSC)的稳定性;375 V直流侧功率增大至超过额定功率时会发生低频振荡;Buck变换器电流内环比例积分(PI)控制器积分系数不影响系统的稳定性,但影响振荡发生后的振荡频率,电压外环PI控制器比例系数过小或积分系数过大会造成系统不稳定;改变Buck变换器电压外环PI控制器参数和增加附加控制器可有效抑制低频振荡。文中针对实际交直流配电网振荡影响因素的理论及仿真分析,对其他交直流配电网工程调试及运行分析具有借鉴意义。     

基于能量函数的电网低频振荡及扰动源定位研究

由于电力系统稳定器在实际电网中的广泛配置,常规的离线小干扰计算分析已经难以得到负阻尼或弱阻尼的低频振荡模式.然而,实际系统中仍然频繁出现低频振荡现象,根据对大量事故的分析,发现多重扰动的发生以及周期性扰动源的存在都可能引发低频振荡.构造了基于联络线的能量函数,并将能量分解为振荡分量和准稳态分量,从而对多重扰动引起的系统低频振荡进行分析,以提供可供调度人员参考的动态安全信息;并将传统的支路势能分解为周期分量和非周期分量,利用非周期分量在网络中传播耗散的方向来实现周期性强迫扰动源的快速、准确定位.实际电网仿真算例验证了所提方法的有效性和可行性.     

基于锁相环的并网VSC暂态失稳机理与控制方法

针对基于锁相环（phase locked loop, PLL）的电压源变流器（voltage source converter, VSC）面临的暂态失稳问题,考虑功率环的影响,对跟网控制型VSC的暂态失稳机理与控制方法进行了全面研究。首先,通过对PLL和功率环进行建模,推导VSC的暂态失稳边界;其次,以电网电压跌落为例,揭示同时考虑功率环和PLL影响时VSC并网系统的暂态失稳机理;然后,提出一种基于d轴重定向的自适应无功控制方法,该方法同时改善VSC功率外环和PLL同步环的暂态稳定运行边界,有效提高基于PLL的VSC并网系统的暂态稳定性;最后,通过硬件在环实验对所提出的暂态失稳机理和控制方法进行实验验证。研究结果表明,功率外环存在时VSC失稳的本质原因是功率环失稳,而非PLL同步失稳。     

基于电压源换流器的高压直流输电小信号动态建模及其阻尼控制器设计

基于电压源换流器(VSC)和脉宽调制(PWM)技术的新型高压直流输电(VSC-HVDC)，具有快速、灵活的有功功率和无功功率控制能力，能够改善系统的稳定性。文中建立了VSC-HVDC的小信号动态模型，该模型包括VSC与交流系统接口的线性化方程、VSC-HVDC内部直流系统动态过程的线性化方程以及控制系统线性化方程3个部分，具有一般性。以VSC的有功功率整定值为输入，VSC-HVDC并联交流输电线路的有功功率为输出，通过对系统频率响应的辨识，得到了两者间的开环传递函数。在此基础上，利用极点配置技术，设计了单输入单输出结构的VSC-HVDC附加阻尼控制器。对一VSC-HVDC/AC交直流并联输电系统特征根的分析及非线性仿真表明，配备该阻尼控制器的VSC- HVDC能有效地抑制系统低频振荡，增加系统阻尼。