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。     

联接弱交流电网MMC系统小信号稳定性分析

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)直流输电技术相比于传统直流输电更适用于向弱交流电网供电。该文建立MMC联接低短路比(short circuit ratio,SCR)交流电网系统小信号模型,重点研究联接弱交流电网MMC系统与电压源换流器(voltage source converter,VSC)系统之间的稳定性差异;该文同时首次建立MMC联接低转动惯量的发电机系统小信号模型,研究交流电网惯性对系统稳定性的影响。采用特征根分析法和参与因子分析法对小信号模型进行分析,得到影响联接弱交流电网MMC系统稳定性的关键因素。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建201电平联接弱交流电网MMC系统仿真模型,仿真结果验证了小信号模型的准确性。通过理论分析与仿真验证共得到两个结论:1)当SCR极低、交流电网极弱时,锁相环(phase-locked loop,PLL)控制器参数与子模块电容相互影响导致联接弱交流电网MMC系统易发生高频失稳;2)较小的交流电网转动惯量与外环控制器会发生相互作用,导致联接弱交流电网MMC系统小信号失稳,而通过优化外环控制器参数能够提高系统稳定性。     

弱交流电网条件下VSC无功类控制分析与优化

针对接入弱交流电网的电压源换流器(voltage sourced converter,VSC)所采用的无功类控制器的适用性进行分析,并提出了改进的无功功率控制方法。首先针对连接到弱交流电网的VSC整流侧和逆变侧系统,分别建立了两个系统在定有功功率定无功功率控制和定有功功率定交流电压控制下的小信号模型,其次利用参与因子法分析影响主导极点的主要状态变量,基于此提出了一种改进的无功功率控制方法,分别在VSC整流侧和逆变侧系统中进行验证,并分析了参数k的选取。最后,在PSCAD/EMTDC环境下进行仿真实验,验证了建立的小信号模型正确性,同时,考虑VSC系统运行极限分析了不同无功类控制下系统的临界有功功率传输极限值。所得结论为:对于连接到弱交流电网的VSC类换流器,定交流电压控制较定无功功率控制更适用于极低短路比(short-circuit ratio,SCR)的交流系统,在选取合适的参数k的条件下,采用改进的无功功率类控制可以提高有功功率传输极限,更有效地增强系统稳定性。     

VSC-HVDC联接弱交流系统下的新型附加频率阻尼控制方法

电压源型换流器高压直流输电(voltage source converter based HVDC,VSC-HVDC)联接弱交流系统时,很容易受到锁相环(phase-locked loop,PLL)特性的影响而使传输功率受限甚至出现系统不稳定的现象。该文从传统交流发电机的运行原理角度出发,提出了一种简单有效且适用于V S C-H V D C联接弱交流系统时的附加频率阻尼控制(supplementary frequency-based damping control,SFDC)方法,该方法基于PLL的输出频率特征量同时引入阻尼系数Dk,产生了有功功率的附加阻尼分量来抑制或消除由于PLL引起的系统失稳现象。首先,建立了基于传统电流矢量控制的VSC系统的小信号模型,采用特征根分析和参与因子分析方法,研究了PLL参数对系统小干扰稳定性的影响及不同短路比(short circuit ratio,SCR)下PLL参数的可行域。然后,建立了含有SFDC控制的VSC系统联接弱受端交流系统时的小信号模型,并通过详细电磁暂态仿真验证了模型的正确性;基于特征根分析方法研究了阻尼系数Dk对VSC系统小干扰稳定性的影响及其参数可行域。最后,对比研究了SFDC控制闭锁和投入时,VSC系统在不同SCR下的最大传输有功功率及不同PLL参数下所允许的最小短路比的变化规律,并提出了一种基于阻尼系数Dk的临界短路比裕度增加量指标,来定量评价所提出的SFDC控制对VSC系统稳定裕度的提升能力。结果表明,所提出的SFDC方法不仅可以有效抑制或消除弱交流电网下由于PLL引起的VSC系统失稳现象,而且可以提升VSC系统的最大传输功率及临界稳定裕度。     

VSC-HVDC直接虚拟功率控制策略

提出一种基于空间矢量调制直接功率控制(direct power control with space vector modulation,DPC-SVM)的直接虚拟功率控制算法。此控制算法扩展了现有DPC的适用范围,在电压源换流器(voltage source converter,VSC)交流侧开路及交流测电流为零时,通过虚拟功率保持DPC控制模块的反馈回路,使DPC能够在VSC换流器并网前控制交流侧输出电压幅值和频率稳定并与电网接入点保持一致。此算法计算过程简单,使用大部分原有DPC-SVM控制模块,并且与DPC-SVM结构保持一致,从而使VSC换流器并网前后控制算法切换平滑。该文分别利用PSCAD/EMTDC软件平台和实验室硬件实验电路进行仿真和电路实验,验证提出的控制算法的正确性和有效性。     

联于弱交流系统的VSC-HVDC稳定运行区域研究

电压源换流器型直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)可用于联接弱交流系统,但其联于弱交流系统时的运行特性仍待深入研究。该文以VSC的交流侧稳态潮流方程为基础,归纳两种不同控制方式下VSC稳态运行时的交流侧安全稳定性约束条件,分析安全稳定判据随短路比(short-circuit ratio,SCR)的变化规律,解释VSC联于弱交流系统时无法安全稳定运行的现象,并给出求取临界短路比(critical short-circuit ratio,CSCR)的步骤流程。在此基础上,研究各种工况因素(交流等效电动势、交流等效系统阻抗、VSC运行方式等)不同时VSC的CSCR,并和PSCAD的仿真结果进行对比验证。最后,总结VSC的CSCR的主要制约因素,并给出各种运行方式下CSCR的典型范围。     

联于弱交流系统的VSC-HVDC稳定运行区域研究EI北大核心CSCD

电压源换流器型直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)可用于联接弱交流系统,但其联于弱交流系统时的运行特性仍待深入研究。该文以VSC的交流侧稳态潮流方程为基础,归纳两种不同控制方式下VSC稳态运行时的交流侧安全稳定性约束条件,分析安全稳定判据随短路比(short-circuit ratio,SCR)的变化规律,解释VSC联于弱交流系统时无法安全稳定运行的现象,并给出求取临界短路比(critical short-circuit ratio,CSCR)的步骤流程。在此基础上,研究各种工况因素(交流等效电动势、交流等效系统阻抗、VSC运行方式等)不同时VSC的CSCR,并和PSCAD的仿真结果进行对比验证。最后,总结VSC的CSCR的主要制约因素,并给出各种运行方式下CSCR的典型范围。     

VSC-HVDC离散模型及其不平衡控制策略

针对常规控制下电压源换流器(VSC)对交流电网电压不平衡的敏感特性,避免电网电压不平衡引起的直流侧电压二次脉动通过直流线路传播到相邻换流站,该文对VSC进行功率分析并研究其不平衡控制策略。在对VSC进行功率特性分析的基础上,采用了网侧功率节点控制并补偿换流电抗和损耗电阻二倍频功率的不平衡控制策略。同时针对工业现场微机控制器,推导了基于双序矢量电流控制器(DVCC)的离散化内环控制模型、Smith预估补偿器模型和外环控制模型。基于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC建立了电压源换流器高压直流输电(VSC-HVDC)离散模型,对外环功率指令阶跃以及两端换流站分别发生电网不平衡故障进行仿真,仿真结论验证了本文离散模型以及不平衡控制策略的有效性。     

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。     

电压源换流器高压直流输电不平衡控制策略研究

针对常规控制下电压源换流器(voltage source converter, VSC)对交流系统电压不平衡敏感特性,避免电网不平衡引起的直流侧电压二次脉动通过直流线路传播到相邻换流站,该文对VSC进行功率分析并研究其不平衡控制策略。在对换流站进行功率特性分析的基础上,采用了网侧与VSC侧复合功率控制策略,推导了不平衡条件下功率外环指令电流模型,设计了ab静止坐标下离散滑模内环控制器。基于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC建立了VSC-HVDC模型及其离散化内环滑模控制器,两侧换流站分别发生电网不平衡故障,仿真结论验证了该控制策略的有效性。     

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。     

弱电网下并网逆变器正交功率同步控制策略

功率同步控制(power synchronization control,PSC)是电压源型逆变器(voltage source converter,VSC)连接至弱交流电网的有效控制策略。极弱电网的短路比(short circuit ratio,SCR)接近1,系统稳态功角接近90°的稳定运行极限。电网电压暂降极易引起VSC功角越过稳定极限并出现同步失稳。针对这一问题,该文首先通过相图法对PSC的暂态同步稳定性进行深入的分析,给出一阶同步环的暂态功角响应特性。然后,引入虚拟功率的概念,给出具有正/余弦特性的同步环暂态功角特性。进而,提出一种正交功率同步控制策略,该方法能够防止VSC在不同电网电压暂降深度下失去静态稳定工作点,有效的保证并网系统的暂态同步稳定。所提方法无需检测电网故障工况,且无需进行控制模式切换,提高了并网逆变器的控制性能。最后,通过半实物实时仿真验证所提出控制策略的有效性。     

电网故障时模块化多电平换流器型高压直流输电系统的分析与控制

电网故障条件下模块化多电平换流器型高压直流输电系统的控制策略是目前亟需进行的一个研究课题。为此,基于Kirchhoff定律,给出了描述模块化多电平换流器(MMC)交流侧和直流侧动态特性的通用动态数学模型。该模型不仅适用于交流电网对称状态,而且适用于交流电网不对称故障状态,并考虑了换流变压器漏感的影响。根据对称分量法将换流器的通用动态数学模型分解为包含正序和负序分量的2个子系统,引入了换流器的正序和负序电流矢量解耦控制器以及外环功率控制器,可以实现在交流电网正常以及故障状态下对模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电系统的有效控制。设计了电网故障期间MMC输送功率的动态限幅控制,可以根据故障的种类和程度调节输送功率的限幅值,防止开关器件过载。指出了总直流电流在3个相单元之间的分配在交流系统对称状态下是基本均匀的,而在交流系统不对称故障状态下是不均匀的。仿真结果验证了所设计的电网故障时MMC-HVDC控制器的有效性和正确性。     

无交流电容的构网型换流器电压电流比例控制及故障限流

通过引入电压电流比例关系,构建了适用于高压构网型换流器的无电容矢量电压控制,可与传统内环电流控制组成构网型换流器级联控制架构,保留正序电流限幅和负序电流抑制能力,防止换流器在电网故障时发生过流闭锁和损坏。与传统外环电压控制不同,该电压电流比例控制不依赖于交流侧并联容性滤波器的电气关系构建,适用于无交流电容的高压构网型换流器的外环电压控制。通过选取特定的交流电压频率指令值,构网型换流器可实现恒电压运行或虚拟同步机运行。时域仿真结果表明,所提高压构网型换流器控制在电网故障时可自动实现换流器的负序电流抑制和故障穿越功能,避免换流器过流闭锁及损坏,并在故障清除后恢复正常运行。     

基于频率同步控制的VSC-HVDC在弱交流系统下的动态特性研究

该文研究适用于电压源型换流器高压直流输电(voltage source converter based HVDC,VSC-HVDC)连接弱交流系统的频率同步控制方法(frequency based synchronization control,FSC)对系统运行特性的影响。建立采用FSC控制的VSC-HVDC连接弱受端交流系统时的小信号模型,并将其与PSCAD/EMTDC中的电磁暂态仿真结果进行对比,验证了小信号模型的正确性。然后,基于小信号模型分析FSC控制中功率阻尼系数和功率同步系数对VSC系统小信号稳定性的影响。最后,针对交流系统频率变化、负荷阶跃和三相短路故障3种暂态运行工况,研究FSC控制下VSC系统的动态特性。结果表明,FSC控制不仅可提高VSC连接弱交流系统时的小信号稳定性,而且使系统具有良好的频率跟踪响应和过电流限制能力。     

VSC接入弱电网时外环有功控制稳定性解析

该文推导电压源换流器(voltage-sourced converter,VSC)接入弱电网时,考虑交流电网强度和锁相环(phaselocked loop,PLL)影响的外环控制多输入多输出(multi-input multi-output,MIMO)传递函数解析模型,提出将MIMO系统简化为单输入单输出(single input single output,SISO)系统分析的研究方法,将SISO传递函数解析模型中有功开环传递函数GPC0视为无穷大系统下的理想开环传递函数和一个调制函数的乘积,其中理想开环传递函数反映外环有功控制的影响,调制函数则反映电网强度、有功功率、PLL带宽、外环交流电压控制带宽的影响。分析调制函数对理想开环传递函数的影响即可揭示电网强度、有功功率、PLL、外环交流电压控制带宽等因素对弱电网下外环有功控制稳定性的影响机理。揭示弱电网下PLL和外环有功控制带宽相同或接近时易发生失稳现象的本质,总结电网强度、有功功率对外环有功控制稳定性影响规律。时域仿真结果验证了分析的正确性。     

利用虚拟电阻提高接入弱交流电网的 MMC小信号稳定性控制方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)换流阀具有自关断能力,适用于向弱交流电网供电。该文对已有功率同步控制方法进行改进,通过在电压调制波处增加虚拟电阻控制,等效增大系统与弱交流电网之间的电阻,从而增强系统的稳定性。该方法实现简单,同时虚拟电阻并不消耗能量,不会降低换流器的传输效率。文中建立了受端弱交流电网MMC系统小信号数学模型,通过对多输入多输出系统开环传递函数矩阵进行分析,得到虚拟电阻对系统稳定运行特性的影响;同时对虚拟电阻的作用机理进行研究,分析得出虚拟电阻对系统运行极限的影响。最后,在PSCAD/EMTDC 中搭建了101电平受端弱交流电网 MMC系统仿真模型,仿真结果验证了虚拟电阻控制的有效性,同时体现了虚拟电阻对系统运行极限的影响。     

LCC与VSC级联的特高压混合直流输电系统控制策略

受端为电网换相换流器(Line Commutated Converter, LCC)与电压源换流器(Voltage Source Converters, VSC)级联的特高压混合直流输电系统能够抑制受端LCC换相失败导致的功率传输中断,系统接线方式和控制方式变得灵活和多样化。针对受端交流系统故障穿越,提出了基于直流电压与受端交流电压的低压限流控制策略和LCC限压恢复策略。针对多换流器的稳定运行,提出了多换流器功率协调控制策略和VSC在线投退策略。针对直流线路故障穿越,提出了基于直流电压偏差控制的穿越策略。基于电磁暂态程序(PSCAD/EMTDC)搭建了LCC与VSC级联的特高压混合直流输电系统仿真模型。仿真结果验证了所述控制策略的有效性。     

弱电网下基于矢量控制的并网变换器功率控制稳定性

研究了基于矢量控制的电压源型变换器(VSC)功率控制的稳定性问题。VSC通过控制基于电网电压定向的d轴和q轴电流来调节注入电网的有功和无功功率。VSC注入电网的功率与d轴和q轴电流间的关系特性对功率控制稳定性影响重大。基于VSC经线路阻抗接入无穷大电源的单机无穷大系统,研究了VSC输出有功功率、端电压幅值与注入电网的d轴和q轴电流间的关系特性。发现电网逐渐变弱时,有功功率对d轴电流的灵敏度由正变负,此关系特性制约了VSC弱电网运行时功率控制的稳定性。进一步分析了功率、端电压幅值对d轴和q轴电流的灵敏度特性。基于分析结果,提出了提高VSC弱电网运行时功率控制稳定性的基本思路。     

改善电能质量的电压源换流器高压直流输电不平衡控制策略

基于两相静止(αβ)坐标设计交流电网不平衡条件下电压源换流器高压直流输电(voltage source convener based high voltage direct current transmission,VSC-HVDC)的双矢量电流及谐波补偿控制(αβ-dual vector current & harmonic compensation controller,αβ-DVCC&HC)方案,实现抑制直流电压2倍频波动及减小交流电流谐波的控制目标.在电流控制环中无须电流及电压正负序分解,改善了传统dq坐标双矢量电流控制(dq-dual vector current controller,dq-DVCC)策略因正负序分解带来的稳定及动态性能方面的问题,避免了电流控制环中引入3次交流谐波的可能性,显著降低了不平衡电网交流谐波电流.同时为了减小功率脉动对另一侧正常运行电网电能质量的影响,在电流控制环中加入3次谐波补偿,提高了电能质量.基于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC建立VSC-HVDC模型及αβ-DVCC&HC控制器,仿真结论表明本文控制策略的有效性.