含跟网型VSC的交流系统暂态稳定解析模型及协调控制

电压源换流器(VSC)型高压直流输电系统接入,可能引起交流系统暂态稳定特性发生变化。因此,针对含跟网型VSC的交流系统开展暂态稳定解析分析。建立了故障前、故障期间和故障后系统的暂态稳定解析模型,并提出了一种基于离散积分的系统故障临界清除时间解析计算方法。基于解析模型,分析了故障期间VSC注入电流相位和幅值、故障位置对交流系统暂态稳定的影响。提出了一种增强交流系统暂态稳定性的协调控制策略,其利用广域测量系统获取临界同步机群的转子角频率,实现VSC的有功、无功电流动态调制。基于PSCAD/EMTDC搭建的多机系统电磁暂态仿真模型,验证了理论分析的正确性、所提控制策略的有效性和鲁棒性。     

基于虚拟同步机的变流器暂态稳定分析及混合同步控制策略

针对采用组网型控制策略(以虚拟同步机控制为例)且考虑电流限幅的电压源型变流器(VSC)暂态稳定性差且失稳机理不明的问题,首先从传统同步机的暂态稳定分析方法入手,定性地分析了组网型VSC的暂态过程.然后,通过基于相图的非线性微分方程的分析方法,定量研究了组网型VSC的暂态失稳机理,并提出了一种结合了传统同步机摇摆方程和锁相环的新型同步方法(称为混合同步控制),使得VSC不仅具备频率响应的能力,而且其暂态稳定裕度得到了大幅提高.最后,通过MATLAB/Simulink搭建的仿真模型验证了分析方法的准确性和所提控制方案的有效性.     

含MMC的交直流输电系统短路电流统一求解方法

针对含模块化多电平换流器(MMC)的交直流输电系统短路电流水平校核问题,在考虑MMC的运行方式和控制系统的基础上,建立了MMC交流侧故障模型。在对比分析了同步机电源和MMC输出短路电流的机理后,通过近似求解并网点(PCC)处电压将MMC交流侧故障模型简化为电流源模型以实现PCC处电压和MMC输出电流之间的解耦。对支路进行合理编号并筛选出电源支路和待求短路电流所在无源支路,基于电网络理论将联络节点构成的无源网络用混合参数表征,经推导得到了含MMC的电网短路电流计算的统一求解方法。不同工况下的仿真结果表明,通过建立各控制策略下的MMC交流侧故障模型,所提算法能准确统一求解不同MMC交流侧故障下的短路电流,可用于含MMC的交直流输电系统的设备选型和保护系统设计。     

混合型MMC非闭锁型直流故障穿越的故障等效模型

由半桥子模块和全桥子模块构成的混合型MMC相比全桥型MMC能够在降低成本的同时具备直流故障穿越能力,直流故障暂态分析是混合型MMC器件选型和配比设计的基础。为分析混合型MMC直流侧故障的暂态特性,建立了额定运行状态下和降压运行状态下发生极间短路的混合型MMC非闭锁型直流故障穿越过程的故障等效模型,分析了直流故障穿越期间混合型MMC各桥臂子模块的动态投切过程,将非闭锁型直流故障穿越控制策略切换前的暂态过程等效为不可控的子模块电容放电过程,将控制策略切换后的暂态过程等效为带有电感初始储能和反向电压源的限流过程,并给出了直流侧短路电流的解析计算方法。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建仿真模型,验证了本文所提模型和计算方法的有效性,能够为混合型MMC的优化设计提供参考。     

基于功率指令切换的双级式构网型光伏故障穿越控制策略

在新型电力系统构建中,构网型光伏将发挥巨大作用。但受限于电力电子器件过流能力,目前针对构网型光伏的故障穿越控制策略还需进一步完善。综合考虑逆变器稳态和暂态过流抑制,提出了一种基于功率指令切换和虚拟阻抗的双级式构网型光伏发电故障穿越控制策略,该策略计及光伏直流侧动态响应,能够实现满足电流限幅约束的前提下向并网电压提供无功支撑,同时保持故障期间构网型光伏对系统惯性的支撑特性,提升大扰动下光伏换流器暂态功角稳定性。仿真结果表明,在电网发生严重电压跌落的情况下,所提控制策略可在保持逆变器直流侧电压稳定的同时实现故障穿越功能。     

含非同步机电源交流电网暂态稳定性的电磁暂态仿真研究

随着非化石能源占一次能源比重和电能占终端能源比重的大幅度提升,大量非同步机电源通过电力电子换流器并网,导致同步机电源在电网中的主导地位被打破,使原本复杂的电力系统稳定性问题变得更加复杂。针对包含非同步机电源的交流电网的暂态稳定性问题,基于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC,在2区域4机系统中,通过逐步等容量替换同步机电源,仿真研究分析了交流系统临界清除时间随非同步机电源比例、非同步机电源同步机制、非同步机电源并网位置、故障类型和故障位置5个影响因素的变化趋势。仿真结果表明,随着系统中非同步机电源占比的增加,系统的暂态稳定性逐渐增强。当系统中非同步机电源占比相同时,非同步机电源分散并网可以同时增强所在区域的暂态稳定性;在非同步机电源占主导的交流电网遭受故障时,暂态响应快,故障恢复时间短,不会表现出同步机电源的功角特性。     

基于源网配合的MMC直流电网自适应故障清除方案

随着模块化多电平换流器(modularmultilevel converters,MMC)在架空线直流输电和柔性直流电网中的广泛应用,直流线路故障清除问题越来越突出,如何实现直流线路故障的快速清除成为制约MMC柔性直流电网发展的关键问题之一。作为直接有效的解决方案,混合高压直流断路器(direct current circuit breaker,DCCB)还不够成熟,高速大开断容量DCCB的研制仍有困难。文中通过挖掘和利用MMC控制的灵活性,提出一种适用于架空线半桥型MMC柔性直流电网的源网配合自适应故障清除方案。在直流故障期间,该方案利用MMC调压控制策略减少源侧子模块投入数量,降低换流器桥臂单元输出电压,并与网侧断路器预充电电容电压自适应配合,使MMC桥臂单元输出电压小于预充电电容电压,利用电压差使故障电流迅速下降至零,达到切断故障电流并清除故障的目的。首先介绍所提故障清除方案中源侧MMC调压控制原理和网侧断路器拓扑结构,然后分析该方案的工作原理,并推导该方案下半桥型MMC的直流故障电流计算方程,给出调压控制器控制系数和网侧断路器元件参数设计方法,最后在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真平台上搭建基于半桥型MMC的四端柔性直流电网模型,对所提故障清除方案的有效性进行仿真验证。     

下垂控制逆变器的虚拟功角稳定机理分析

在大干扰下,电压源型的下垂控制逆变器会出现与传统同步发电机类似的暂态功角失稳,而且逆变器会因电流饱和而退变成一个电流源,进而出现更复杂的同步稳定问题。文中以逆变器单机无穷大系统为例,通过定义逆变器的虚拟功角,分别得出逆变器电流未饱和时的虚拟功角特性和电流饱和下的虚拟功角特性,在此基础上分析了逆变器的虚拟功角同步稳定机理和失稳过程,以及故障切除时间对逆变器虚拟功角暂态稳定性的影响,并将该分析方法扩展到虚拟同步机的暂态稳定分析中。最后,基于MATLAB/Simulink仿真验证了失稳分析方法的合理性。     

双轴励磁电流源同步机视角下跟网/构网设备建模及其互联系统同步稳定性分析

随着大规模新能源和电力电子技术的发展，电力系统逐渐形成了构网设备和跟网设备互联的形态，其中典型构网设备主要包括虚拟同步机和同步机，典型跟网设备包括锁相环型变流器。同步稳定是大电网运行的基础，但由于构网设备与跟网设备的同步机制存在很大差异，使得互联系统同步稳定分析极为困难。为此，该文从物理上借助双励同步机的概念，构建可以统一构网设备和跟网设备的等效结构，在数学上提出描述设备同步特性的通用建模思路，建立基于双励电流源同步机的互联系统同步稳定分析模型。进一步，给出互联系统同步稳定的数学定义和小扰动同步稳定的充分条件。最后，在MATLAB/Simulink仿真平台验证模型与分析的合理性。     

可仿真任意工况的MMC等值电磁暂态仿真模型与平均值模型

基于对MMC在启动以及直流故障期间桥臂电容电压动态过程的分析,提出了改进的MMC等值电磁暂态仿真模型,并根据桥臂总电容电压的动态特性提出了可仿真任意工况的MMC平均值模型。在PSCAD/EMTDC下搭建了21电平MMC的详细电磁暂态仿真模型、等值电磁暂态模型和平均值模型,通过启动、电流阶跃、交流故障和直流故障、环流抑制器投切仿真,验证了所提出的等值电磁暂态仿真模型和平均值模型可以分别在换流站级和电力系统级的研究上取代详细开关模型并提高仿真速度。     

直接电压控制构网型变流器控制参数暂态稳定影响分析

目前针对直接电压控制构网型变流器暂态失稳模式的演化和控制参数对暂态稳定的影响机理尚需进一步深入研究。首先,分析了两种常见电流限幅策略对变流器暂态稳定性的影响,归纳总结出3种暂态失稳演化路径。其次,通过极限切除时间、极限切除角揭示了变流器有功环节不同参数对暂态稳定的影响规律,并针对直接电压控制构网型变流器的内电势和并网点电压之间的非线性关系,使用变流器临界势能为指标,揭示了变流器无功环节不同参数对稳定性的影响规律。在此基础上,解释了不同控制环节参数对变流器暂态稳定性的影响出现反常规律的机理。最后,在PSCAD仿真平台上通过算例验证了理论分析的正确性。     

考虑故障限流的VSG暂态功角稳定控制方法

当电网发生严重故障时,虚拟同步发电机(VSG)易发生功角失稳并导致故障电流越限,现有方法大多忽略功角失稳与故障过流之间的内在关联性而将二者单独处理,导致二者难以同时解决。为此,分析了VSG的暂态功角特性和故障电流特性,阐释了产生上述问题的原因及相互关系;基于相图理论分析了多影响因素下VSG的暂态功角稳定性,提出了一种考虑故障限流的VSG暂态功角稳定控制方法,该方法在自适应调节有功功率指令以保持功角稳定的基础上联合调节无功调压系数,并引入准静态近似虚拟阻抗,同时实现了故障期间VSG的暂态功角稳定和全故障限流。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性及所提控制方法的有效性。     

远海风能集中接入的多端直流系统直流故障分析与故障检测方法

二电平电压源换流器(VSC)和半桥模块化多电平换流器(MMC)在直流故障期间缺乏对直流短路电流的调控能力。在多端直流系统中,为了避免整个系统因换流阀的闭锁而停运,有必要在直流故障后的第一阶段(即电容放电阶段)快速识别并隔离故障。因此,对多端直流系统故障检测而言,直流故障电容放电阶段的短路电流计算至关重要。提出了适用于多端直流系统故障分析的暂态等效模型,该模型仅保留原故障网络中的高频成分,使故障初期的电路分析大为简化。基于此模型,可以得到故障线路和健全线路的故障电流解析表达式。根据故障线路和健全线路电流的差异,提出了基于暂态电流均值的故障检测方法,该方法具有计算复杂度小、耐过渡电阻能力强、采样率低等优点。通过EMTP仿真验证了暂态等效模型的准确性和故障检测方法的有效性。     

弱连接VSC的锁相环同步暂态稳定综述

聚焦于单个弱连接电压源变流器(WG-VSC)系统在对称故障等大扰动下的锁相环同步暂态稳定性问题,梳理总结了其研究现状,包括暂态失稳现象、稳定机理、量化分析方法、稳定性提升控制措施等。实际运行控制中,从参数空间的角度分析以VSC注入有功/无功电流为参数空间的暂态稳定域更为直观,因此定义该暂态稳定域为电流可行域,并综述了相关研究工作。最后从多WG-VSC并联系统、不对称故障下、电压源虚拟同步型或构网控制下、不同锁相环的影响分析等方面展望了锁相环同步暂态稳定性问题的发展与应用前景。     

基于串联制动电阻的生物质能同步发电机组低电压穿越研究

对用于生物质能发电(BPP)的并网同步机组(SG),其低电压穿越(LVRT)不便沿用大型SG紧急控制措施。采用串联制动电阻(SBR)实现BPP中SG的LVRT,采用计及励磁系统动态控制的等面积定则,提出了SBR阻值解析算法。基于SG及励磁系统,量化SBR功率,将其引入SG加速面积中,建立了SG加速和减速面积表达式。结合机械功率和切入功角,利用等面积定则,推导出满足LVRT准则SBR最小阻值的解析算法。改变系统参数,分析其对SBR最小阻值的影响,以选择新安装BPP电厂参数。动态仿真结果验证了基于解析算法选取SBR阻值的正确性。可以发现SG惯性或励磁电压上限越大,q轴同步电抗、d轴暂态电抗或变压器电抗越小,机械功率或切入功角越小,所需的SBR阻值越小。对SBR阻值影响从大到小依次排序为d轴暂态电抗、惯性时间常数、q轴同步电抗、变压器电抗、励磁电压上限值。     

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.     

Improvement of Power System Stability by Using New Switching Technique in Bridge-type Fault Current Limiter

The bridge-type fault current limiter has the capability of controlling the fault current by controlling the DC reactor current. This fault current limiter is mainly composed of a diode bridge rectifier and a DC reactor. To achieve this capability, a resistor parallel with a semiconductor switch has been used in series with a DC reactor. For this fault current limiter, a control scheme is proposed that uses the DC reactor current as a control variable to improve transient stability of the model power system without measuring any parameters of system. In this article, an analytical and simulation study was conducted on a one-machine infinite-bus system including a bridge-type fault current limiter and the proposed control scheme. Simulation results show that by controlling the turn-on and turn-off times of the switch, i.e., the switching technique, the proposed fault current limiter can not only limit the fault current but also absorb the accelerating energy of the generator, thereby improving power system transient stability. The rotor velocity, maximum output power of the generator, and critical fault clearing time are studied in this article to evaluate the effects of the proposed fault current limiter on power system transient stability.     

基于临界惯量和预想故障的含风电电力系统暂态功角稳定在线预警

大规模风电接入使得电力系统惯量水平降低,暂态功角失稳风险加剧,开展含风电电力系统故障前的暂态功角稳定在线预警对保障其安全稳定至关重要。提出了基于临界惯量和预想故障的含风电电力系统暂态功角稳定在线预警方法。首先,通过理论分析得到风电场在故障清除后短时间的功率恢复过程不能忽略的推论,并建立等效外特性模型,进而基于扩展等面积定则构建了计及风电场多阶段外特性的暂稳数学模型。其次,定义了含风电系统暂态功角稳定的临界等效惯量,并通过匀加速分段等效提出了实用化的求解方法,进一步提出了暂态临界惯量指数,实现稳定裕度量化分析并给出风险等级。最后,以含风电接入的四机两区域系统和IEEE39节点系统为例,仿真验证了所提方法的有效性和适用性。