计及闭环策略的并网逆变器集群阻抗特性比较分析

以逆变器集群为接口的新能源大规模接入改变了电网的动态特性,次/超同步振荡现象频发,制约了新能源的并网消纳。为深入研究该类型振荡的抑制方法,以单台并网逆变器输出阻抗为最小建模单元,引入谐波线性法推导了PI控制和准PR控制策略下逆变器闭环系统的序阻抗模型,在此基础上建立考虑多台逆变器并联运行的等效阻抗模型。通过对比两种闭环控制策略下逆变器集群输出阻抗的低频段动态特性和接入弱电网后的系统稳定性,在电流内环具有相同稳定裕度的情况下,相较于PI控制,逆变器集群采用准PR控制时互联系统稳定裕度更大,可以降低系统发生次/超同步振荡风险。最后在Matlab/Simulink仿真平台搭建逆变器集群并网仿真模型,模拟了不同强弱电网环境下的并网稳定与失稳现象,从而验证理论分析结果。     

计及频率耦合和汇集网络的风电场序阻抗模型等值方法

近年来,中国河北沽源、新疆哈密等风电基地频繁发生电网振荡问题,呈现次、超同步频率振荡分量强耦合现象。频域小信号阻抗方法是建模和分析这类由电力电子并网装置引起的控制不稳定和振荡问题的有效方法。目前针对单个逆变器或风电机组频率耦合阻抗模型已有研究基础,文中基于此提出一种考虑频率耦合和汇集网络的风电场序阻抗模型等值方法,建立的风电场等值阻抗与单个逆变器或风电机组的模型定义和形式统一,能够用于分析次、超同步频率耦合的振荡问题。以直驱风电场并入弱电网系统为例,对所提出的模型应用于系统稳定性分析及振荡频率预测的准确性进行了仿真验证。     

直驱风电场中SVG电压前馈阻抗重构抑制次/超同步振荡方法

直驱风电场在中低频段内呈现负阻值容性的阻抗外特性,当接入呈感性的弱电网时会相互耦合引起次/超同步振荡,不利于新能源的稳定消纳与电网的安全运行。为抑制风电场的次/超同步振荡,提出一种直驱风电场中静止无功发生器(SVG)阻抗重构控制方法。通过在风电场中的SVG控制系统内加入带通滤波器的电压前馈控制进行阻抗重构,提高风电场并网稳定性。利用谐波线性化方法,建立含所提阻抗重构控制SVG的直驱风电场序阻抗模型。基于所建立的阻抗模型和所提出的阻抗稳定性判据,对比分析未采用SVG阻抗重构控制和所提控制方法的直驱风电场的稳定性。结果表明当采用所提控制方法时,风电场在40~100 Hz频段内呈现正阻值特性,且降低了系统的容性特性,抑制了风电场次/超同步振荡,同时可以改善风电场中因并网风电机组数量增加所带来的振荡问题。最后,通过仿真验证了所提方法对抑制风电场次/超同步振荡的有效性与正确性。     

弱电网下考虑锁相环影响的并网逆变器改进控制方法

由于电网阻抗的存在,并网逆变器的控制系统与电网阻抗相互耦合,弱电网条件会影响并网逆变器的稳定性。并网逆变器控制系统中通常使用锁相环来获取电网同步信息,其动态特性是影响系统稳定运行的关键因素。分析弱电网情况下锁相环输出对系统稳定性的影响,在此基础上提出一种提高系统稳定性的控制方法。在同步旋转坐标系下建立了包括电流环、锁相环和滤波器等环节的三相并网变换器阻抗模型,分析不同电网阻抗和锁相环带宽与并网逆变器稳定性的内在联系。结合阻抗模型中系统电压通过锁相环对电流环的影响,提出一种改进的前馈控制方法来减小锁相环输出影响,前馈环节中包括系统电压、锁相环动态特性和滤波器等环节。分析表明,改进的控制方法能够有效提高并网逆变器在弱电网条件下运行的稳定性。实验证明了所提方法的正确性。     

抑制直驱风电并网系统次/超同步振荡的储能变流器有源阻尼控制方法

为应对直驱风电并网系统接入弱电网引发的次/超同步振荡问题,针对储能变流器提出了一种改进的有源阻尼控制方法,建立了考虑所提有源阻尼控制方法的储能变流器序阻抗模型,并分析了含储能变流器的直驱风电并网系统阻抗特性。在次/超同步振荡频段,并网系统阻抗幅值较低且部分呈容性,当输出功率增大、电网短路比降低或锁相环带宽减小时,容易与感性电网阻抗发生交互,从而诱发次/超同步振荡。然后,考虑不同有源阻尼控制参数对系统稳定性的影响,并给出选取参数的方法,使直驱风电并网系统的正负序相角裕度大于零或幅频特性不与电网阻抗发生交截。分析结果表明,所提有源阻尼控制方法能够有效改善直驱风电并网系统的阻抗特性,在更为复杂恶劣的条件下,耗散振荡能量,抑制次/超同步振荡,增强系统的稳定性。最后,通过仿真验证分析的正确性。     

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。     

并网逆变器复合电流环引起次/超同步振荡机理研究

针对我国电力系统中的并网逆变器引起的次/超同步振荡现象,以单逆变器经阻抗并理想电源的典型系统为例进行分析。由于锁相环动态和较大电网电抗的存在,单逆变器并网系统电流环存在dq轴耦合。将dq轴统一考虑,建立了单逆变器并网系统的复合电流环模型。复合电流环中存在正反馈作用,该反馈与锁相环、电流控制器、系统运行点、电网电抗和滤波电抗等多个因素相关,若匹配不当则可能造成振荡或失稳。使用根轨迹法对上述因素对系统稳定性的影响进行分析,探讨了通过适当调整并网逆变器控制参数来抑制振荡的方法。通过时域仿真验证了复合电流环的准确性,同时验证了调整电流环控制参数抑制次/超同步振荡的效果。最后,对复合电流环模型的应用进行了展望。     

基于转子侧附加阻尼控制的双馈风机并网次/超同步振荡抑制方法

针对风电经串补输电线路并网发生的多起次/超同步振荡现象,首先推导了基于有功无功解耦控制的双馈风机阻抗模型。其次分析了电网参数、双馈风机控制参数以及电机参数对风电并网系统稳定性的影响。然后针对串联补偿输电线路参数以及风机控制参数引发的次/超同步振荡现象,提出了双馈风机转子侧控制环节附加阻尼控制器的抑制方法。并对比分析阻尼器放置于功率外环以及电流内环对系统稳定性的影响,得出阻尼器放置于电流内环对次/超同步振荡抑制效果更好的结论。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建双馈风机并网模型,通过时域仿真验证了阻抗模型分析风机并网次/超同步振荡的正确性以及所提方法对次/超同步振荡抑制的有效性。     

基于频率耦合阻抗模型的海上风电并网系统振荡稳定性分析

海上风电的大规模开发利用可能会引起次(超)同步振荡事故,降低系统的稳定水平,因此亟需一种能准确分析海上风电并网系统振荡稳定性的方法.为此,首先建立设备的频率耦合阻抗模型,根据系统的拓扑结构,形成海上风电并网系统的阻抗网络模型,由网络的传递函数得到系统的聚合阻抗,根据聚合阻抗的频率特性获得系统的振荡模式并判断模式的稳定性...     

弱电网下计及锁相环影响的LCL型并网逆变器控制策略

新能源并网逆变器在弱电网下易诱发宽频带振荡.为分析振荡失稳的发生机理,首先基于复矢量传递函数方法建立了计及锁相环影响的三相LCL型并网逆变器阻抗模型,然后分析了频率耦合的机理.在此基础上推导出并网逆变器系统与电网阻抗交互作用的等价输出阻抗模型,应用阻抗稳定性判据分析了锁相环对并网逆变器稳定性的影响.为抑制锁相环对并网逆...     

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。     

弱电网下基于对称PLL结构的并网逆变器频率耦合消除与稳定性增强方法

在分布式电源渗透率较高的弱电网下,由于电网阻抗的存在,并网逆变器易发生与锁相环相关的频率耦合振荡问题,进而导致入网电流质量和电网稳定性降低。为提高并网逆变器的振荡抑制能力,提出一种基于复数滤波器的对称锁相环(a symmetrical phase-locked loop synchronization structure based on the complex coefficient filter,CCF-SPLL)同步结构。所提的对称锁相环控制策略在不增加额外控制补偿回路或调整系统控制参数的前提下,可避免由传统锁相环引起的频率耦合特性,且增强了并网逆变器系统在弱电网环境下的稳定性。最后,通过RT-LAB硬件在环实验验证了文中理论分析的正确性以及所提控制策略的有效性。     

并网变流器的频率耦合阻抗模型及其稳定性分析

可再生能源并网系统中,如光伏、风电以及无功补偿等并网均采用电压源型变流器。变流器与交流电网之间的相互作用会引发新的振荡问题,阻抗模型分析成为研究此类问题的重要方法。多数阻抗模型往往忽略了变流器外环控制和频率耦合的影响,适用于变流器高频动态特性研究,但在分析变流器中低频动态(如次同步振荡)方面不够精确。为弥补这一缺陷,文中针对典型电压源型并网变流器提出了一种频率耦合阻抗模型,同时考虑了互补频率耦合效应和外环控制,采用详细电磁模型时域仿真与辨识验证了阻抗模型推导的正确性。进一步构建并网系统的整体阻抗模型,分析变流器并网系统的稳定性,时域仿真结果证实了所提模型在中低频率振荡分析中的有效性。     

基于控制硬件在环测试的风电次/超同步振荡风险评估

风电机组变流器引起的次/超同步振荡是制约风电大规模消纳的重要因素之一。为确保风电系统的安全稳定运行,风电机组并网前需对其进行次/超同步振荡“适网性”分析,以评估系统发生次/超同步振荡的潜在风险。然而,对于控制结构或关键参数未知的风电机组变流器,难以直接建立详尽的数学模型进行次/超同步振荡分析。为解决上述问题,研制了频率耦合阻抗模型测试仪(impedance model testing instrument,IMTI),借助外部激励响应特性辨识风电机组的频域耦合阻抗模型,基于该模型从次/超同步振荡稳定性角度出发评估风电机组的“适网性”;并借助实时数字仿真器(real-time digital simulator,RTDS)构建控制硬件在环(controller hardware in loop,CHIL)测试平台,对某商用风电机组控制器进行次/超同步振荡风险分析。最后,通过电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC验证了硬件在环测试结果的正确性。     

考虑频率耦合效应的三相并网逆变器序阻抗模型及其交互稳定性研究

在分布式发电系统中,并网逆变器作为主要的功率接口单元,其稳定性直接关系到并网系统的可靠运行。目前在大多数阻抗分析过程中,将并网逆变器视为单输入单输出系统,忽略了频率耦合特性的影响,因而导致逆变器低频段的稳定性分析不够精确。该文针对三相LCL并网逆变器,采用多谐波线性化方法分别推导解耦双同步参考坐标系锁相环(decoupleddoublesynchronousreferenceframePLL,DDSRF-PLL)的频率特性模型和并网逆变器的输出阻抗模型。基于序阻抗分析方法和奈奎斯特稳定判据,分析频率耦合特性对并网逆变器系统稳定性的影响,并基于稳定性对锁相环结构进行改进。论文对并网系统的稳定性进行实验验证,实验结果证明了理论分析的正确性。     

一种改进线性扩张状态观测器的自抗扰控制宽频带振荡抑制方法研究

针对自抗扰控制策略在并网系统参数变化时能否维持逆变器接入弱电网的稳定性展开了进一步研究。首先,建立了计及频率耦合的自抗扰控制型并网逆变器等效单输入单输出序阻抗模型,并采用Nyquist稳定判据定量分析逆变器输出功率、电网短路比、锁相环以及自抗扰控制器参数变化对并网系统稳定性的影响。其次,针对上述参数变化所导致的弱电网下自抗扰控制型逆变器稳定性降低、宽频带振荡等问题,提出了一种改进线性扩张状态观测器(enhanced linear expansion state observer, e-LESO)的自抗扰控制宽频带振荡抑制方法。通过在传统一阶自抗扰控制器中LESO内部增添比例支路和滤波环节,重塑自抗扰控制型并网逆变器输出阻抗,拓宽其中频段(100 Hz~1 kHz)内呈正阻尼特性的频率范围,从而增强自抗扰型并网逆变器鲁棒性,实现宽频带振荡抑制。最后,通过仿真验证了所提方法的有效性。     

模块化多电平中压变流器阻抗分析及次/超同步振荡抑制

模块化多电平换流器适合作为中高压电网的并网接口,针对光伏中压直流汇集系统潜在次/超同步振荡问题,从频域出发,系统地建立了送端电流源型并网模块化多电平变流器的正负序阻抗模型,对并网时互联系统的稳定性作出分析。频域正负序阻抗与电网阻抗交叠预测了串联补偿下光伏中压直流汇集系统次/超同步振荡现象,并验证了频域阻抗与时域波形分析的一致性。通过控制参数优化,有效抑制了模块化多电平换流器串联补偿时次/超同步振荡现象。     

基于阻抗分析的LCL型并网逆变器多谐振控制

弱电网条件下,由于电网阻抗与逆变器阻抗失配,并网电流容易发生谐波振荡,破坏了系统的稳定性.基于阻抗分析法,建立了考虑锁相环(PLL)和控制延时的单相LCL并网逆变器的小信号模型,通过阻抗稳定判据分析了弱电网在常规控制策略下的失稳机理,提出了一种基于多谐振控制器的电压前馈控制来独立控制公共耦合点(PCC)电压基频分量和谐波分量,增强系统稳定性的同时显著提升并网电能质量.该方法从阻抗角度分析PLL及电压前馈对逆变系统稳定性的影响,为抑制低频次谐波设计了多谐振控制器,并基于阻抗稳定准则详细推导实现方法和参数设计过程,最后仿真结果验证了所提控制方法的有效性和可行性.     

多逆变器并网系统输出阻抗建模与谐波交互

针对大量分布式并网逆变器接入到公共电网时逆变器侧与网侧之间的交互影响问题,从并网逆变器闭环系统外特性角度入手,提出在同步旋转坐标系下对LCL型三相并网逆变器入网电流和滤波电容电流双闭环系统进行输出阻抗建模。利用前馈解耦策略,将dq轴控制环路之间的耦合阻抗消除。考虑到实际系统多采用数字系统,将数字控制延时引入到模型中以更加精确地反映实际并网逆变器的输出阻抗特性。基于无dq环路阻抗耦合和引入数字控制延时情况下的精确输出阻抗模型,对多逆变器并网系统进行阻抗网络建模、谐振机理剖析及谐波交互影响分析。理论分析结果表明,逆变器产生谐波成分与电网电压谐波成分会加剧多模块并网系统入网电流的谐波畸变。仿真结果验证了所建输出阻抗模型的正确性及其在逆变器—电网交互系统性能分析中的有效性。     

基于电网阻抗的并网逆变器准比例谐振控制

随着新能源大规模接入电网,新能源并网逆变器在与电网交互引发的次/超同步振荡问题引起了广泛关注。此类振荡问题与并网逆变器的输出阻抗和电网阻抗特性密切相关。采用谐波线性化方法建立了三相LCL型并网逆变器的小信号输出阻抗模型,分析了不同电流控制策略对其输出阻抗的影响,通过阻抗比奈奎斯特判据分析了电网阻抗变化对系统稳定的影响。采用无源阻尼与有源阻尼相结合的方法抑制LCL滤波器的固有谐振尖峰,再根据公共耦合点电网阻抗的变化调节准比例谐振（quasi proportional resonance,QPR）控制器参数以及电容电流反馈系数,使系统阻尼基本保持不变,增强系统鲁棒性,确保系统稳定运行。时域仿真与数值分析结果证明了所提控制策略的有效性。