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。     

“薄弱电网下的源–网–荷匹配与稳定控制”专题特约主编寄语

正近年来,随着大规模风电/光伏、直流输电、电气化交通等的快速发展,电力系统"源–网–荷"各部分中电力电子变流器占比逐年提高。当输配电线路较长(如长距离供电的高铁牵引网,光伏电站、风电场距离主干电网较远等)、区域电网中隔离变压器较多时,电网呈现以"低短路比"为特征的"薄弱电网"。而当大量电力电子变流器接入"薄弱电网"时,常存在低/高频振荡、次/超同步振荡、谐波谐振等问题,严重危害电力系统的安全稳定运行。因此,研究薄弱电网背景下"源–网–荷"系统的稳定机理、匹配机制和稳     

电网电压不对称故障下并网变流器的优化控制

由于负载的不对称、输电线路的老化、电网电压的不对称故障等原因,并网变流器的接入端常出现电网电压不对称的现象。若电网电压不对称故障下不采取一定控制策略,并网变流器的直流侧端电压、交流侧电流和有功无功功率将出现二倍频振荡。这将严重影响到并网变流器的稳定运行。因此研究不对称电网电压下并网变流器的控制十分有必要。本文以并网变流器为研究对象,对其在不对称电网电压下的运行特性进行理论分析与仿真验证。首先建立了并网变流器在不对称电网电压下的数学模型,理论分析了电容电流谐振闭环对直流侧电压二倍频脉动抑制、无功功率谐振闭环对网侧无功功率二倍频脉动抑制的合理性,并通过仿真验证了本文所提出控制策略的有效性。通过对直流侧电压和网侧无功功率二倍频振荡的抑制,提高了并网变流器在不对称电网电压下安全稳定运行能力。     

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。     

基于阻抗模型的并网变流器低频振荡机理研究

近年来世界范围内发生了多起新能源并网低频振荡现象。为揭示低频振荡机理,以弱电网条件下并网变流器为研究对象,根据阻抗理论,分别建立了dq坐标系下并网变流器常用的2种控制方式单电流环控制和电压电流双环控制的小信号阻抗模型,在此基础上给出了2种控制模式下的并网变流器低频导纳特性,分析了电流环与电压环PI参数对并网变流器低频振荡特性的影响,得到影响低频振荡的主要因素;对多台变流器分布式并联运行振荡特性进行分析,给出了弱电网与并网变流器以及并网变流器之间的交互特性。最后通过仿真和实验验证了所得结论的正确性,能够实现并网电流低频振荡现象可受控的复现与抑制。     

VSC变流器与弱电网交互作用的次同步振荡关键参数研究

电压源型变流器(VSC)接入弱同步电网后与电网交互作用显著,易引发系统次同步频带的稳定性问题。为研究这一现象的机理和特性,建立包含锁相环、电压前馈等环节的VSC变流器小信号数学模型。采用特征值分析方法进行系统振荡模态、阻尼比、相关因子计算,分析得出影响系统次同步频带稳定性的关键因素及变化规律。结果显示,增强电网网架结构,优化VSC变流器中的锁相环和电压前馈滤波参数可以减小系统振荡风险。最后通过电磁暂态仿真对上述分析结论进行了验证。     

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。     

弱电网下光伏发电系统谐振机理研究

光伏发电系统一般都要通过较长的输电线路接入电网,可能会有电网阻抗较高,短路容量较低的情况出现。这些条件会引起光伏并网变流器的系统谐振。围绕弱电网条件下的并网变流器谐振问题展开研究,通过光伏发电系统的数学模型,对弱电网条件引起并网变流器特定次谐波振荡的机理进行分析,研究了影响系统发生谐振的主要因素,并通过仿真验证了理论分析的正确性。     

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。     

具有自主电网同步与弱网稳定运行能力的双馈风电机组控制方法

随着风电的高比例并网以及大型风电机组的分散接入,电网对风电不再具备强电气支撑作用,进而引发一系列并网稳定问题,如谐波振荡、次同步振荡和低频振荡等,这是由于风电变流器所采用的电流矢量解耦控制需要电网提供强电压支撑才能稳定控制电流所致,弱网下难以稳定。此外,风电并入弱网还需具备一定的自主组网与电网支撑能力,如自主惯量响应等。为此,该文围绕弱网稳定运行与自主电网同步两个核心问题提出了一种双馈风电机组的新型控制方法。具体地,机侧变流器采用基于转子磁链自定向的虚拟同步控制方法;对网侧变流器提出一种新型的惯性同步控制方法,依据动力学系统相似性原理,利用直流母线电压固有动态直接实现网侧变流器的无锁相环电网同步控制,该方法较虚拟同步控制模型阶数更低且更易稳定。经以上控制后,双馈风电机组的定子侧和转子侧外特性分别等效为2台同步机。在PSCAD/EMTDC仿真软件中构建2MW双馈风电机组暂态模型,详细分析了该控制下双馈风电机组的启动、柔性并网过程、自主惯量响应以及最大风能捕获等相关特性,仿真结果表明提出的控制方法具有较好的弱网稳定运行与发电特性。     

变流器并网系统振荡与原–对偶复电路分析

基于广义阻抗的分析方法可将变流器并网系统的振荡问题转化为变流器与电网广义阻抗间的串并联谐振问题,并可有效处理变流器和电网阻抗矩阵难以同时对角化解耦的难题,但仍然存在物理意义不明的缺陷。为了更深入地阐明振荡机理、解释广义阻抗的物理意义,该文提出了变流器并网系统的等效原–对偶复电路。首先,从极坐标形式的阻抗矩阵和雅克比传递函数矩阵角度,分别推导了变流器系统的广义导纳。其次,提出复空间中的原–对偶分量概念,实现了系统中耦合频率振荡量的统一描述。最后,基于特征方程推导了系统的等价原–对偶复电路,不仅可用于反映系统中原–对偶分量的耦合关系,也可用于分析系统的小干扰稳定性。给出了等效原–对偶复电路与实际系统阻抗之间的联系,说明系统振荡等价于等效原–对偶复电路发生串并联谐振,并通过仿真验证了等效原–对偶复电路的合理性。     

功率–电压控制型并网逆变器及其弱电网适应性研究

采用传统功率–电流双环控制策略的并网逆变器,在弱电网环境中运行存在谐波振荡等交互稳定问题。为解决该问题,提出一种基于LCL滤波电容电压反馈的逆变器功率–电压双环控制策略。在计及主电路、锁相环、调节器参数等因素影响的基础上,推导并建立了旋转dq坐标系下逆变器的输出阻抗模型。基于广义奈奎斯特判据,对比研究了功率–电流、功率–电压两种控制策略的稳定裕度与电网强度的关系。阻抗分析结果表明,基于功率–电压控制的逆变器接入弱电网环境仍可稳定运行,且其稳定裕度不受锁相环带宽的影响,具备更佳的电网适应性。通过仿真和实验,验证了理论分析的正确性以及所提控制策略的可行性。     

基于阻抗分析法的并网变流器稳定性统一分析方法研究

变流器作为可再生能源发电并网的关键设备，在与交流电网互联时产生的系统振荡问题日益增多。阻抗模型是分析“变流器-电网”耦合系统稳定性的基础。首先基于αβ坐标系建立了特定工况下的并网系统阻抗数学模型；在此基础上，进一步建立全工况下的统一阻抗数学模型。由该阻抗模型可知，运行工况与控制器参数是影响系统阻抗特性的主要因素。通过Nyquist稳定判据量化分析两种影响因素对系统稳定性的影响。然后提出增大控制环参数Kpi以抑制系统在小干扰下的谐振，增强系统稳定性。最后，不同运行工况下的仿真与实验结果验证了所提出的全工况阻抗数学模型分析系统稳定性的准确性，同时也验证了稳定性提升方法的有效性。     

弱电网下负序控制对变流器并网系统稳定性影响分析

变流器并网运行时,因实现负序控制目标带来的变流器控制结构改变可能会存在恶化系统小干扰稳定性问题,该问题在弱电网背景下更加突出。首先介绍了不平衡电网下基于比例积分-准谐振(proportional-integrational quasi-resonant,PIR)控制的负序控制策略,然后建立平衡电网下考虑负序控制策略的变流器并网系统幅相阻抗模型和原-对偶复电路。其次,通过分析因负序控制带来的变流器侧幅相阻抗模型中导纳元素阻抗特性的变化,判断负序控制对系统稳定性的影响,进一步基于广义阻抗判据分析了负序控制如何影响系统稳定。研究结果表明弱电网下负序控制可能会使变流器并网系统存在次同步和100 Hz左右的振荡失稳风险。最后,通过仿真验证了理论分析结果的有效性。     

基于可再生能源三电平并网变流器的研制

为满足可再生能源发出的电能高压并网要求,研制了高性能三电平并网变流器.详细介绍了该二极管箝位型三电平并网变流器的系统构成及工作原理,并对电压环、电流环的双环控制策略和控制电路进行了研究,提出了一种改进型SVM调制方法来平衡中点电压.在此基础上,研制了一台20kW/380V并网变流器样机,进行了相应的实验研究.实验结果表明,该变流器能够保证中点电压平衡,可以实现单位功率因数并网和注入电网的电流为正弦波,具有优良的并网性能.     

基于单调系统理论的光伏并网系统暂态电压稳定性分析

随着新能源机组大量并网，现代电力系统电压稳定问题日益突出，亟需有效的电压稳定分析方法。基于单调系统理论，对光伏并网的电力系统电压稳定性进行了分析。通过模块化求导方法，证明了电力系统暂态电势子系统的雅可比矩阵符号特性满足互联单调系统条件，进而基于互联单调系统小增益定理对电力系统暂态电势子系统进行稳定性分析，并采用增益函数雅可比矩阵谱半径作为系统平衡点渐近稳定性的判据。借助特殊矩阵论，量化分析了部分电网参数对增益函数雅可比矩阵谱半径的影响，以此作为变流器控制参数设置的理论依据。在10机39节点系统中对上述结论进行了验证。仿真算例结果表明运行在单位功率因数下的跟网型变流器会增加谱半径对同步发电机参数的灵敏度，并导致系统鲁棒性变差；构网型变流器的无功功率-电压下垂系数的增加和出口电抗的减小能够增强系统的电压稳定性。     

一种提高变流器弱电网适应能力的全通前馈方法

弱电网下电网阻抗会严重影响并网变流器的稳定性,首先建立了含有电网电压前馈时并网变流器的阻抗模型,根据阻抗比判据分析了并网变流器在弱电网下的稳定性。针对传统电网电压前馈下并网变流器对弱电网适应能力较低的问题,提出了一种基于全通滤波的电网电压前馈方法,并分析了全通滤波器参数对系统弱电网适应能力的影响。理论分析表明基于全通滤波的电网电压前馈控制方法可显著提高并网变流器的弱电网适应能力。最后,搭建了系统仿真模型和实验样机,仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。     

双馈风电并网系统高频谐振机理及抑制策略

双馈风电机组并网时,由于机网相互作用可能会发生高频谐振,造成巨大的经济损失。针对该问题,首先,综合考虑机侧变流器和网侧变流器的影响,建立双馈风电机组的阻抗模型,并考虑风机接入电网时所采用的不同补偿方式建立双馈风电并网系统阻抗模型,通过绘制和分析阻抗频率响应曲线,揭示双馈风电并网系统高频谐振的产生机理;然后,借鉴光伏逆变器高频谐振抑制的思想,在机侧变流器和网侧变流器原有控制策略中附加阻尼控制环节进行阻抗重塑,以实现风电并网系统高频谐振的有效抑制;最后,通过仿真验证了所提策略的合理性与有效性。     

功率同步控制的构网型变流器多机交互分析与稳定控制研究综述

构网型变流器由于其具有同步电压源运行特性，在新能源直流送出、弱电网并网、微电网组网等场景中得到广泛关注。功率同步控制是构网型变流器的典型同步方式之一。然而，由于电力电子功率变换非线性和多环控制特性，功率同步控制作用下的构网型变流器多机交互作用及其引发的稳定问题不可忽视。该文对功率同步控制的构网型变流器多机交互分析和稳定控制两方面技术进行梳理和总结。首先，将构网型变流器多机系统稳定问题表征划分为有功功率振荡和暂态同步失稳，分别综述了所对应的模型和分析方法；其次，针对以上两类稳定问题，从机组控制和系统控制两个层面梳理了现有致稳控制技术；最后，总结了现有研究的主要结果和局限性，并对未来研究方向进行展望。     

VSG-DFIG风力发电系统小信号建模及稳定性分析

基于虚拟同步发电机技术的双馈型风力发电系统具有可以提供惯量支撑和自同步电压源特性等优点,因此受到广泛关注。为更好地研究及优化其控制性能,需对其小信号稳定及性能进行分析。为此,建立了基于虚拟同步发电机技术的系统总体模型,并针对电网与双馈电机定子、网侧变流器公共连接处的代数方程计算中存在计算过程复杂、数学模型不匹配和物理意义不清晰等问题,提出了基于戴维南-诺顿等效的双馈电机模型,最后进行了算例仿真分析。分析结果表明:系统存在3种振荡模式,且弱网下锁相环与VSG控制相关的振荡模式之间存在"借阻尼"现象,并引起系统不稳定。该建模方法为包含虚拟同步发电机技术的双馈型风力发电系统的小干扰稳定分析提供了理论依据和实用工具。