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。本文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,分析了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,论证了并网变换器建模时考虑直流侧动态的必要性。随之建立了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,揭示了电网强度对跟网型变换器稳定性的影响机理。然后,分析了锁相环、电流环、滤波环节对系统阻抗特性的影响。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,考虑直流侧动态的系统临界短路比更大。     

弱电网故障下新能源并网变换器的奇异摄动模型与暂态稳定性分析EI北大核心CSCD

弱电网短路故障下新能源并网变换器易于暂态失稳,但由于并网系统表现高阶、非线性和强耦合等特征,其暂态稳定性分析十分困难。已有研究大多局限于单锁相环系统,即忽略电流控制动态的影响,无法充分反映并网变换器的暂态失稳机理。针对该挑战,该文同时考虑锁相环和电流环的控制动态,研究弱电网故障下并网变换器的暂态稳定性。首先,建立并网变换器接入弱电网的奇异摄动模型,将原高阶模型降阶简化为二个低阶的快、慢子系统。然后,分别采用李雅普诺夫第一法和第二法分析了快、慢子系统的稳定性,由此揭示了工作点、线路阻抗和控制参数等多重因素对暂态稳定性的影响规律,并给出一些参数优化设计的指导原则。最后,通过实验验证了分析结果的正确性。     

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。     

电网频率扰动下并网变换器系统暂态稳定性分析

在弱电网条件下,锁相环固有的非线性特性会对电网扰动条件下并网变换器系统的暂态稳定性产生影响.针对并网逆变器系统中电网频率扰动工况,建立了锁相环输出相角的二阶微分方程.基于非线性动力学多尺度法对模型进行了时域解析求解,并量化分析了电网扰动对锁相环输出相角的影响,进一步给出了暂态稳定边界.针对电网频率、电流以及电网阻抗扰动工况,将所建模型的解析解与其数值解、仿真结果进行了对比,并与传统相图分析方法进行了比较,验证了所提出的锁相环暂态解析模型与解析方法的正确性.通过实验进一步验证了暂态稳定边界的有效性.     

适用于弱电网的三相并网逆变器锁相环设计

弱电网环境下,锁相环会对并网逆变器的稳定性造成威胁,建立考虑锁相环影响的逆变器输出阻抗模型和传统同步参考坐标锁相环的传递函数,基于阻抗分析法分析采用传统锁相环时逆变器的稳定性。随后,研究了一种基于降阶广义积分和二阶广义积分的复合广义积分锁相环,并给出参数设计方法。采用谐波线性化的方法获取复合广义积分锁相环的传递函数,分析弱电网环境下采用新型锁相环时逆变器的稳定性。考虑到系统频率偏移对锁相精度的影响,设计频率自适应结构。理论分析和仿真结果表明,采用复合广义积分锁相环,并网逆变器在高电网阻抗下也能稳定运行,且并网电流质量高。     

弱电网下基于电压扰动补偿的并网变换器改进控制方法

在弱电网条件下,并网变换器的控制系统与电网阻抗相互耦合,导致并网系统的稳定性降低,其中并网点电压扰动对锁相环和直流电压环的影响是导致并网变换器稳定性下降的关键因素。变换器阻抗模型是系统稳定性分析的基础,因此,首先在dq坐标系下,建立了包含电流环、锁相环和直流电压环等环节的三相并网变换器小信号阻抗模型。由阻抗模型中各变量的传递关系,能够找出并网点电压对锁相环和直流电压环输出的扰动通道,推导出扰动分量对控制器输出影响的表达式。在此基础上,将锁相环和直流电压环输出扰动补偿项添加到d轴和q轴电流环控制器,进而提出了基于并网电压扰动补偿的控制方法。理论分析结果表明,该方法可以在弱电网条件下有效降低电网阻抗与控制器耦合的影响,提高并网系统的稳定性。实验结果验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。     

弱电网下双馈发电机输入导纳建模及稳定性分析

弱电网条件下双馈风电机组控制系统与电网的交互影响目前得到了广泛的关注,传统的双馈电机变流器控制系统设计中并没有考虑电网阻抗的影响,因此该文采用阻抗分析方法分析了双馈风电变流器控制系统特性对双馈发电机并网稳定性的影响。首次在同步旋转坐标系下建立了考虑锁相环影响的双馈发电机输入导纳模型,建模过程中同时考虑了双馈发电机的电磁暂态特性和转子电流环控制器的影响。在此基础上,详细分析了锁相环和电流环控制器参数变化对双馈发电机输入导纳矩阵的影响。在所建模型的基础上对弱电网连接情况下的双馈发电机稳定性进行分析,利用广义奈圭斯特稳定判据分析电流环以及锁相环PI参数对于系统稳定性的影响,仿真结果验证了所建立模型和理论分析的正确性。     

复合型功率同步逆变器:序阻抗建模与并网特性

分布式能源通常借助逆变器接入电网,但基于锁相环的传统电流控制策略在弱电网并网场景下易引发失稳现象。因此,文中提出“复合型功率同步逆变器”概念,通过有功功率与无功功率相结合的复合功率同步方法替代传统锁相环,以改善逆变器在弱电网条件下的并网暂态响应,并有效提升并网稳定性。基于谐波线性化方法,推导建立复合型功率同步逆变器的序阻抗模型,并针对同步系数及稳态工作点对并网逆变器稳定性影响机理展开理论分析。阻抗分析结果表明,所提出的复合型功率同步逆变器的输出阻抗基频段幅值在宽工作范围内主要受同步系数影响。同时,搭建实验样机,硬件实验结果证明了所提复合功率同步方法的有效性与阻抗分析的正确性。     

弱电网条件下锁相环对LCL型并网逆变器稳定性的影响研究及锁相环参数设计

为了保证并网逆变器的进网电流与电网电压同步,需要通过锁相环对电网电压进行锁相,并利用检测出的电网电压相位生成电流基准。该文以单相LCL型并网逆变器为例,建立锁相环的小信号模型,并根据该模型推导并网逆变器基于阻抗的稳定判据。通过分析该判据可知,在电网阻抗可忽略不计时,锁相环对并网逆变器的稳定性无影响;当电网阻抗不可忽略时,锁相环带宽、并网电流幅值给定和输出功率因数都会影响系统的稳定。为了保证系统在弱电网下的稳定性,给出一种基于相角裕度要求的锁相环参数设计方法,并进行实验验证,实验结果证明了理论分析的正确性。     

弱电网下计及锁相环影响的并网逆变器输出阻抗重塑

比例积分+谐振补偿控制器(resonant harmonic compensators,HCs)可以用来抑制电网背景谐波引起的并网电流畸变.然而在电网阻抗较大时,锁相环(phase-locked loop,PLL)、电流控制器与电网阻抗相互耦合,降低了并网逆变器系统的稳定性.为了改善弱电网下锁相环对并网逆变器系统的不利影响,首先建立了考虑锁相环影响的并网逆变器小信号模型,分析了锁相环导致系统稳定性的原因,揭示了电网阻抗影响并网逆变器-电网交互系统稳定性的本质规律.然后,提出一种基于二阶低通滤波器(low-pass filter,LPF)的锁相环优化控制与参数设计方法,以重塑并网逆变器输出阻抗.最后对所提策略进行了仿真与实验验证.研究结果表明,改进的策略可以提高弱电网下并网逆变器系统的稳定性,改善其对电网的适应性,从而证明了理论分析的正确性与所提策略的有效性.     

考虑锁相环影响的多逆变器并联接入弱电网稳定性分析

锁相环在经逆变器并联接入电网时,对确保并网电流与电压保持同步有着至关重要的作用.且在弱电网下电力电子设备的自身动态及其与电网的相互作用明显引发复杂的稳定性问题.文中从多逆变器并网的控制系统出发,建立了计及锁相环、电流调节器等控制环节影响的阻抗分析模型,考虑了各个逆变器对其它逆变器及其与交流电网之间的相互影响,提出了多组逆变器并网的阻抗稳定性判据.分析了随着电网强度、锁相环参数及逆变器数目的 变化对系统稳定裕量的影响,并根据所得稳定性判据给出了不同电网强度下可以并联的最大逆变器数目,最后在PSCAD上搭建多个逆变器并联接入弱电网的模型,验证了所得结果的正确性.     

三相并网逆变器锁相环频率特性分析及其稳定性研究

并网逆变器的锁相环用来实现并网电流的相位跟踪,其会对并网逆变器输出阻抗特性及其稳定性产生影响。因此,首先采用谐波线性化方法,推导了考虑锁相环前后并网逆变器的正负序输出阻抗模型,指出由于引入了锁相环,逆变器输出阻抗的小信号等效电路多了一条锁相环等效阻抗的并联支路。其次,对两种常用的锁相环电路(同步参考坐标系锁相环和双二次广义积分锁频环)的频率特性进行了对比研究,研究表明锁相环频率特性的不同使得逆变器输出阻抗低频段存在差异。为此,采用基于阻抗的分析方法,研究了不同电网阻抗条件下锁相环对并网系统稳定性的影响;对并网系统的稳定性进行了实验验证,实验结果证明了理论分析的正确性。     

基于阻抗模型闭环极点的双馈风电系统次同步振荡稳定性分析

近年来,电网的运行中发生了多起由风电并网引发的新型次同步振荡事故,其机理和振荡的影响因素错综复杂。基于频域阻抗模型的阻抗分析法是研究该问题的有效方法,基于考虑电力电子变换器和锁相环动态过程的双馈风电机组阻抗模型,提出了适用于系统次同步振荡稳定性分析的闭环极点稳定性判据,与目前广泛使用的等效电路阻尼稳定性判据进行对比。并将所提判据与灵敏度分析相结合,建立了闭环极点相对灵敏度,研究了关键参数对于系统次同步振荡特性的影响。最后通过时域仿真验证了所提判据与灵敏度在系统次同步振荡分析中的有效性与准确性。     

PLL-GFC型MMC-HVDC暂态同步稳定性研究

PLL-GFC（基于锁相环的构网型换流器）具备频率与电压调节能力，然而目前对其接入高压交流电网后的暂态同步稳定性缺乏深入了解。为此，对PLL-GFC型MMC-HVDC（模块化多电平换流器型高压直流输电）暂态同步稳定机理展开研究。首先，介绍PLL-GFC型MMC-HVDC控制策略并分析其功率响应特性。然后，建立MMC-HVDC并网系统暂态同步稳定模型，采用相图曲线方法分析电网故障后换流器失稳机理以及电网电流动态变化对其暂态同步稳定性的影响。研究发现稳定平衡点的存在是换流器并网系统故障后暂态稳定的关键因素，由此提出通过动态调节有功电流指令值来提升暂态同步稳定性的增强措施。最后，通过PSCAD/EMTDC搭建电磁暂态仿真模型，验证了失稳机理分析的正确性与增强措施的有效性。     

弱电网条件下考虑频率耦合的三相并网逆变器简化阻抗建模及宽频带振荡分析

并网逆变器作为新能源并网时的关键接口,其输出阻抗和电网阻抗的交互,可能会引起10-2kHz宽频带振荡问题,通过分析锁相环、电流环及延时环节对阻抗特性的影响,发现锁相环和电流环是引起系统中低频振荡的主要原因,延时是引起系统高频振荡的主要原因。在考虑频率耦合的情况下建立了并网逆变器单输入单输出(SISO)序阻抗模型,并根据不同控制环主导影响不同频段的动态,建立了中低频段（10-800Hz）和高频段（＞800Hz）简化模型。针对不同控制器对系统阻抗影响界限模糊的问题,通过对系统阻抗曲线的分频段分析,明确了不同控制器对于系统稳定性的影响界限,通过阻抗匹配和奈奎斯特判据对逆变器并网系统的稳定性进行了研究,最后,仿真和实验结果验证了本文的分析。     

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。     

弱电网下基于锁相控制并网变换器小扰动同步稳定分析

该文对弱电网下基于锁相控制并网变换器的小扰动同步稳定问题进行研究。首先,以机理化揭示并网变换器同步特性为目标,通过将其和传统同步机的同步动态进行类比等效,建立适用于并网变换器同步稳定分析的类Heffron-Phillips动力学模型。进而借鉴传统电力系统低频振荡分析思路,采用复转矩系统法分析思想,将锁相环主导的同步振荡模式阻尼分为两部分:锁相环自身固有阻尼分量和弱电网下复杂控制耦合引入的附加阻尼分量,进而从阻尼特性的角度揭示弱电网下并网变换器同步稳定机理,并从影响固有或附加阻尼分量的角度,研究电网阻抗、控制器参数等因素对小扰动同步稳定性的影响。该文研究结果清晰揭示了弱电网下并网变换器同步失稳机理,并为后续同步稳定控制指明了思路。     

基于环路滤波阻抗重塑的并网锁相环改进方法

锁相环(PLL)作为传统并网同步单元,在弱电网下会对并网稳定性产生不利的影响。这里搭建了并网逆变器小信号阻抗模型,分析了PLL对并网电力系统稳定性的影响机制,并给出了在常规PLL控制方法下的系统稳定性分析。在此基础上,提出了一种基于PLL改进控制和参数的设计方法,对PLL的附加阻抗进行重塑。该方法提高了系统的相位裕度,同时还满足了并网逆变器对快速性的要求。最后通过仿真和实验表明,该方法可以保证并网系统在大电网阻抗下实现高质量的并网电流输出。     

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...     

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。